(转自知乎)Unicode编码

佐手、 提交于 2020-03-06 13:34:21
很多人都把Unicode编码挂在嘴边,其实咱们现实生活中遇到的编码基本都是Unicode的
因为Unicode兼容了大多数老版本的编码规范例如 ASCII
Unicode编码定义了这个世界上几乎所有字符(就是你眼睛看到的长那个样子的符号)的数字表示
也就是说Unicode为每个字符发了一张身份证,这张身份证上有一串唯一的数字ID确定了这个字符
在这个纷乱世界上存在的唯一性。Unicode给这串数字ID起了个名字叫[码点](Code Point)
而很多人说的编码其实是想表达[Unicode转换格式](即UTF,Unicode Transformation Formats)
有没有觉得眼前一亮豁然开朗?没错 这就是我们看到的UTF-8/UTF-16/UTF-32的前缀来源
这个[Unicode转换格式]的存在是为了解决[码点]在计算机中的二进制表现形式而设计的
毕竟我们的机内表示涉及存储位宽,兼容古老编码格式,码点是数值过大的罕见字符等问题
[码点]经过映射后得到的二进制串的转换格式单位称之为[码元](Code Unit)。也就是说如果有一种UTF的码点二进制表示有n字节,其码元为8位(1个byte),那么其拥有码元n个。每种UTF的码元都不同,其宽度被作为区分写在了UTF的后缀——这就是UTF-8/UTF-16/UTF-32的由来。UTF-8的码元是8位的,UTF-16的码元是16位的。大部分的编程语言采用16位的码元作为机内表示。这就是我们在各种语言中调用获取一个字符串中character的数量时会出现这么多混乱的原因。事实上我们调用这些方法时取得的不是字符个数,而是码元个数!一旦我们的字符串中包含了位于基本平面之外的码点,那么就会需要更多的码元来表示,这个时候就会出现测试时常见的困惑——为何return的字符数比实际字符数要多?所以实际写代码时要特别注意这个问题。
采取不同的映射方式可以得到不同格式的二进制串,但是他们背后所表示的[码点]永远是一致的就好像你换身份证但是身份证号不变一样。由于平时人们误把[转换格式]也称为[编码],所以造成今天Unicode/UTF傻傻分不清楚且遣词造句运用混乱的悲桑局面。
Unicode 编码 发展到今天 扩展到了 21 位(从 U+0000 到 U+10FFFF )。这一点很重要: Unicode 不是 16 位的编码, 它是 21 位的。这 21 位提供了 1,114,112 个码点,其中,只有大概 10% 正在使用,所以还有相当大的扩充空间。
编码空间被分成 17 个平面(plane),每个平面有 65,536 个字符(正好填充2个字节,16位)。0 号平面叫做「基本多文种平面」(BMP, Basic Multilingual Plane ,涵盖了几乎所有你能遇到的字符,除了 emoji(emoji位于1号平面 - -)。其它平面叫做补充平面,大多是空的。
总结一下各种编码格式的特质:
 

UTF-32

最清楚明了的一个 UTF 就是 UTF-32 :它在每个码点上使用整 32 位。32 大于 21,因此每一个 UTF-32 值都可以直接表示对应的码点。尽管简单,UTF-32却几乎从来不在实际中使用,因为每个字符占用 4 字节太浪费空间了。
 

 

UTF-16 以及「代理对」( Surrogate Pairs )的概念

UTF-16要常见得多,它是根据有 16 位固定长度的码元( code units 定义的。UTF-16 本身是一种长度可变的编码。基本多文种平面(BMP)中的每一个码点都直接与一个码元相映射。鉴于 BMP 几乎囊括了所有常见字符,UTF-16 一般只需要 UTF-32 一半的空间。其它平面里很少使用的码点都是用两个 16 位的码元来编码的,这两个合起来表示一个码点的码元就叫做代理对( surrogate pair 

 

UTF-8

UTF-8 使用一到四个字节来编码一个码点。从 0 到 127 的这些码点直接映射成 1 个字节(对于只包含这个范围字符的文本来说,这一点使得 UTF-8 和 ASCII 完全相同)。接下来的 1,920 个码点映射成 2 个字节,在 BMP 里所有剩下的码点需要 3 个字节。Unicode 的其他平面里的码点则需要 4 个字节。UTF-8 是基于 8 位的码元的,因此它并不需要关心字节顺序(不过仍有一些程序会在 UTF-8 文件里加上多余的 BOM)。

 
有效率的空间使用(仅就西方语言来讲),以及不需要操心字节顺序问题使得 UTF-8 成为存储和交流 Unicode 文本方面的最佳编码。它也已经是文件格式、网络协议以及 Web API 领域里事实上的标准了。
我们的JVM中保存码点是UTF16的转换格式,从char的位宽为16位也可以看得出来。由于绝大部分编码的码点位于基本平面,所以使用16位可以几乎表示所有常用字符。这就是许多语言编译器或运行时都使用UTF16的原因。英文在使用UTF16时也是2字节表示的。当我们想要使用其他平面的字符时,码元超过2个字节,就需要使用代理对在语言中的特定表示方式,譬如‘\U112233’之类的。
使用UTF8时,常用的Alphabet和Numeric都在前127字节,被有效率地用一个字节表示。而我们的中文由于排在1920个码点之后,所以使用3个字节表示,这方面就比UTF16转换格式耗费更多空间。
最后,不论使用哪种UTF转换格式,都是程序员自己可以选择的一种表达方式而已。我们可以通过Java方便的API进行自如转换。
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