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细说ASCII、GB2312/GBK/GB18030、Unicode、UTF-8/UTF-16/UTF-32编码

2023-09-11 10:31:39 作者：jackletter

本文主要介绍了细说ASCII、GB2312/GBK/GB18030、Unicode、UTF-8/UTF-16/UTF-32编码，详细的介绍了这些编码的知识，具有一定的参考价值，感兴趣的可以了解一下

1. 最简单的ASCII码。

ASCII码使用1个字节记录了128个常用的字符（ASCII规定第一个bit位固定为0，2^7=128），包含控制字符（如：键盘的空格、Tab键），以及打印字符（如：数字、英文字母等）。看下面的表格：

2. 汉字编码，从GB2312说起

1980年，为了使每个汉字有一个全国统一的代码，我国颁布了汉字编码的国家标准：GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集》基本集，这个字符集是我国中文信息处理技术的发展基础，也是国内所有汉字系统的统一标准。

在这个标准中，我们规定使用两个字节表示一个字符，又为了兼容ASCII码，规定每个字节的首bit位固定为1。这样最终编码后的范围是： 0xA1A1 - 0xFEFE （ 共94*94=8836个码位 ），其中收录了汉字6763个（其中一级汉字3755，二级汉字3008个），覆盖率达到了99.75% 。

其实，在GB2312中还有区位表的概念：将所有的字符都分为94区，每区又有94位，

01-09 区为特殊符号
10-15 区为用户自定义符号区（未编码）
16-55 区为一级汉字，按拼音排序
56-87 区为二级汉字，按部首/笔画排序
88-94 区为用户自定义汉字区（未编码）

.示例如下：

可以通过这里查看完整的区位码列表：《区位码全表》

实际计算机存储的时候肯定不是按照区位码存的（还要避开ASCII的字符嘛），所以GB2312的存储规则如下：

注意：上面的“ａ”不是ASCII中的a，而是GB2312中的“ａ”。

另外，我们知道ASCII码的"a"其实就是0x61（即：97，01000001）。基于以上三个字符的分析，我们新建一个文本文件并输入：“aａ啊”，并另存为“ANSI”编码（其实就是GBK编码，GBK兼容GB2312，这里就把GBK当做GB2312），如下：

保存后，我们换个软件打开，观察下16进制，这里我使用editplus，如下：

这里实验的结果和我们分析的结果正好一致。

0x61：表示ASCII中的a

0xA3E1：表示GB2312中的ａ

0xB0A1：表示汉字“a”.

注意：现在已经不用区位码表示了，也不用再考虑区位码到二进制存储的转换了。后面的GBK编码就是直接在GB2312的二进制存储上做的扩展。

3. 全角和半角？

对于英文字母和部分标点符号有全角和半角的区别，这是因为这些字母和符号在ASCII中已经定义了一遍，但GB2312中又把这些字母和符号重新定义了一遍（应该是因为中文排版显示不同吧），所以为了区分字母和标点符号究竟是指ASCII中的还是GB2312中的，出现了全角和半角的说法。

半角：指ASCII中的字符；
全角：指GB2312中的字符；

而对于汉字来说，是没有全角和半角的区别的，因为ASCII中本就没有汉字。

4. GBK编码

GBK全称《汉字内码扩展规范》（GBK即“国标”、“扩展”汉语拼音的第一个字母，英文名称：Chinese Internal Code Specification），中华人民共和国全国信息技术标准化技术委员会1995年12月1日制订。

指定它的原因？

虽然GB2312中已覆盖了99.75% 的汉字，但仍然有不少生僻字不在规范里面，作为计算机标准不能漏掉这些。

编码特点：

GBK编码，是在GB2312-80标准基础上的内码扩展规范，使用了双字节编码方案，其编码范围从8140至FEFE（剔除xx7F），共23940个码位，共收录了21003个汉字，完全兼容GB2312-80标准，支持国际标准ISO/IEC10646-1和国家标准GB13000-1中的全部中日韩（CJK）汉字，并包含了BIG5编码中的所有汉字；
GBK编码方案于1995年10月制定， 1995年12月正式发布，中文版的WIN95、WIN98、WINDOWS NT以及WINDOWS 2000、WINDOWS XP、WIN 7等都支持GBK编码方案；

GBK对应的区位码？

从上面GBK的描述中，没有发现区位码的信息，没错，GBK是《汉字内码扩展规范》，也就是说GBK不再使用区位码，而是直接对GB2312的转储二进制进行的扩展。

GBK是如何扩展的GB2312，为什么GB2312最多存储8836个码位，而GBK可以存储23940个?

GBK在扩展GB2312的时候，移除了第二个字节首bit位必须为1的限制，且又做了其他扩展，所以GBK的编码范围是：0x8140 - 0xFEFE，最多能表示的码位： (0xFE-0x81+1)*(0xFE-0x40+1) => 126*191=24066

然后，GBK又规定去除0x xx7F 一条线，所以GBK最终表示 126*190=23940 个码位，共收入 21886 个汉字和图形符号，其中汉字（包括部首和构件）21003 个，图形符号 883 个。

5. GB18030编码

随着计算机的普及，我国后来又在GBK上扩展字符，这被称为GB18030，如：GB18030-2000（2000年发布）,GB18030-2005（2005年发布），同时兼容ASCII、GB2312、GBK、基本兼容Unicode，特点如下：

采用变长多字节编码，每个字可以由1个、2个或4个字节组成。；
编码空间庞大，最多可定义161万个字符；
基本完全支持Unicode，无需动用造字区即可支持中国国内少数民族文字、中日韩和繁体汉字以及emoji等字符；

另外，GB18030在微软视窗系统中的代码页为54936。

6. Big5

已被GBK包含。

Big5，又称为大五码或五大码，是使用繁体中文（正体中文）社区中最常用的电脑汉字字符集标准，共收录13,060个汉字。

7. 大端存储和小端存储

参考：《大小端（数据在内存中的存储）》

如果有一个编码单元需要用大于1个字节表示，那么要说明这个编码单元放在这几个字节内的顺序是怎样的。

比如说，int类型占用四个字节，那么这四个字节就是一个编码单元，内存中这四个字节排列如下：

小端存储如下（int i=0x00000001; //数字1）：

大端存储如下（int i=0x00000001; //数字1）：

如果我们在调试中观察内存（使用c++）就能观察到效果了：

如果想使用c#看，需要使用unsafe模式，先设置工程属性：

然后代码如下：

8. Unicode

Unicode是国际组织制定的可以容纳世界上所有文字和符号的字符编码方案。Unicode用数字0-0x10FFFF来映射这些字符，最多可以容纳1114112个字符，或者说有 1114112个码位（17*256*256=1114112） 。码位就是可以分配给字符的数字。

Unicode的学名是"Universal Multiple-Octet Coded Character Set"，简称为UCS。UCS可以看作是"Unicode Character Set"的缩写。

前面提到从ASCII、GB2312、GBK到GB18030的编码方法是向下兼容的。 而Unicode只与ASCII兼容，与GB码不兼容。 例如“汉”字的Unicode编码是6C49，而GB码是BABA。

Unicode 在1990年开始研发，1994年正式公布。2005年3月31日推出的Unicode 4.1.0。2020年3月10日推出的Unicode 13.0.0。

Unicode 13.0.0的官方文档：https://www.unicode.org/versions/Unicode13.0.0/UnicodeStandard-13.0.pdf

Unicode的编码范围：

完整的范围，请参考：《百度百科：统一码》

0000-007F：C0控制符及基本拉丁文 (C0 Control and Basic Latin)：也即ASCII码
0080-00FF：C1控制符及拉丁文补充-1 (C1 Control and Latin 1 Supplement)
0100-017F：拉丁文扩展-A (Latin Extended-A)
0180-024F：拉丁文扩展-B (Latin Extended-B)
0250-02AF：国际音标扩展 (IPA Extensions)
02B0-02FF：空白修饰字母 (Spacing Modifiers)
…此处省略
4E00-9FFF：CJK 统一表意符号 (CJK Unified Ideographs)：中文汉字大多在这个区
…此处省略
10000–1FFFF: 第1辅助平面，多文种补充平面（Supplementary Multilingual Plane, SMP） [2]
20000–2FFFF: 第2辅助平面，表意文字补充平面（Supplementary Ideographic Plane, SIP） [2]
30000–3FFFF: 第3辅助平面，表意文字第三平面（Tertiary Ideographic Plane, TIP）
40000–DFFFF：第4-13辅助平面，尚未使用
E0000–EFFFF: 第14辅助平面，特别用途补充平面（Supplementary Special-purpose Plane, SSP）
F0000–FFFFF：第15辅助平面，保留作为私人使用区（Private Use Area, PUA）
100000–10FFFF：第16辅助平面，保留作为私人使用区（Private Use Area, PUA）

9. Unicode中的Emoji表情

由于Emoji符号是互联网文化的产物，所以它在Unicode表的后面部分，以下是部分Emoji表情在Unicode表中的排列：

完整的列表，参见Unicode官方文档：《Full Emoji List, v13.1》

10. UCS-2和UTF-16、UCS-4和UTF-32、UTF-8

上节说到Unicode统一了世界字符的编码标准，但是没有提到这些字符应该怎样转储到计算机中。

Unicode中包含1个字节（如：ASCII码）、两个字节（如：中文）和三个字节（如：第一辅助平面）的长度，为了将Unicode存储到计算机中出现了 UCS-2 、 UCS-4 、 UTF-16 、 UTF-32 、 UTF-8 几种算法。其中 UTF-8 已成事实上的流行者。

UCS-2 和 UTF-16编码方式

UCS-2 的编码固定占用2个字节，它包含65536个编码空间。但固定的两个字节不足以覆盖所有的Unicode字符，于是UTF-16诞生了，与UCS-2一样，它使用两个字节为全世界最常用的63K字符编码，不同的是，它使用4个字节对不常用的字符进行编码。UTF-16属于变长编码。

UCS-4 和 UTF-32编码方式

UCS-4的编码固定占用4个字节，编码空间为0x00000000 - 0x7FFFFFFF（可以编码20多亿个字符）。但实际使用范围并不超过0x10FFFF，并且为了兼容Unicode标准，ISO也承诺将不会为超出0x10FFFF的UCS-4编码赋值。由此UTF-32编码被提出来了，它的编码值与UCS-4相同，只不过其编码空间被限定在了0~0x10FFFF之间。因此也可以说：UTF-32是UCS-4的一个子集。

UTF-8

也是使用变长字节表示（1-4个字节表示）。根据 Unicode 编号的大小，编号小的使用的字节就少，编号大的使用的字节就多。使用的字节个数从 1 到 4 个不等。UTF-8 的编码规则是：

① 对于单字节的符号，字节的第一位设为 0，后面的7位为这个符号的 Unicode 码，。
② 对于n字节的符号（n>1）,第一个字节的前 n 位都设为 1，第 n+1 位设为 0，后面字节的前两位一律设为 10，剩下的没有提及的二进制位，全部为这个符号的 Unicode 码。

UTF-8编码实例：

严的 Unicode 是4E25（100111000100101），根据上表，可以发现4E25处在第三行的范围内（0000 0800 - 0000 FFFF），因此严的 UTF-8 编码需要三个字节，即格式是1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然后，从严的最后一个二进制位开始，依次从后向前填入格式中的x，多出的位补0。这样就得到了，严的 UTF-8 编码是11100100 10111000 10100101，转换成十六进制就是E4B8A5。

11. UTF-16 LE、UTF-16 BE、UTF-32 LE和UTF-32 BE

我们在记事本另存为的时候还能看到UTF-16 LE 和 UTF-16 BE的选项，这是因为在制定UTF-16编码的时候允许自己指定字节的存放顺序，这和上面说的大小端存储是一个意思。

UTF-32的和UTF-16一样也有这个特点。

而GBK和UTF-8均没有大小端存储的区别，因为它们都是按照字节的顺序从低位开始排列的。

以汉字 “严” 为例，它的Unicode编码为4E25，我们打开记事本，写入汉字 “严” ，并另存为 UTF-16 LE：

然后，我们使用editplus打开，观察它的16进制如下：

如果，我们另存为UTF-16 BE，那么16进制显示如下：

12. UTF-8和UTF-8-BOM

虽然UTF-8没有大小端存储的区别，但是我们会看到UTF-8-BOM类型的编码，那么有BOM和无BOM的啥区别呢？

带BOM的会在文本的前面添加 EF BB BF 三个字节以表示这是UTF-8编码。

还是以汉字“严”为例，我们知道“严”的UTF-8编码为：0xE4B8A5，下面我们打开记事本，输入汉字“严”，将它保存为UTF-8编码：

然后，用editplus打开观察16进制，如下：

如果，我们将它保存为带BOM的UTF-8，然后观察16进制，会发现在首部多了3个字节，如下：

虽然，带BOM的UTF-8编码能更好的表示文本文件，但带bom的shell脚本在linux执行的时候却会报错，所以除非必须，不要使用带BOM的UTF-8编码。

13. 如何根据文本首字节确定其编码方式

首先，由于GBK不存在字节序，文本前端不需要加字节说明，不带BOM的UTF-8编码文本也不需要加字节说明，所以下面的判断只能是识别已经指明编码格式的文本。

14. 编码总结（字符集和字符编码）

区分字符集和字符编码的概念：

字符集：定义了一套字符，比如：GB2312、GBK等定义了一整套的中文符号，Unicode定义了全世界的符号；
字符编码：将一个字符集转储成二进制的规则，比如：GB2312、GBK自带编码规则，可以将字符转储成二进制，而UTF-8、UTF-16则是Unicode的编码规则，负责将Unicode中的字符转储成二进制。

如下图所示：

15. 如何查看字符对应的各种类型编码？

方法一：直接在网站：https://www.qqxiuzi.cn/bianma/zifuji.php 上搜索即可得某个字符的 ASCII、GB2312、BIG-5、GBK、GB18030、Unicode编码；比如，大写英文字母“W”：

又比如汉字“王”：

还有emoji表情：

方法二：上面虽然有常规的编码转换，但是没有关于UTF-16、UTF-8的转换，下面借助c#程序得到字符的UTF-16和UTF-8编码：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine($"W Unicode =>{ConvertToHex("W", "Unicode")}");
        Console.WriteLine($"W UTF-16 =>{ConvertToHex("W", "UTF-16")}");
        Console.WriteLine($"W UTF-32 =>{ConvertToHex("W", "UTF-32")}");
        Console.WriteLine($"W UTF-8 =>{ConvertToHex("W", "UTF-8")}");
        Console.WriteLine($"王 Unicode =>{ConvertToHex("王", "Unicode")}");
        Console.WriteLine($"王 UTF-16 =>{ConvertToHex("王", "UTF-16")}");
        Console.WriteLine($"王 UTF-32 =>{ConvertToHex("王", "UTF-32")}");
        Console.WriteLine($"王 UTF-8 =>{ConvertToHex("王", "UTF-8")}");
        Console.WriteLine($"😀 Unicode =>{ConvertToHex("😀", "Unicode")}");
        Console.WriteLine($"😀 UTF-16 =>{ConvertToHex("😀", "UTF-16")}");
        Console.WriteLine($"😀 UTF-32 =>{ConvertToHex("😀", "UTF-32")}");
        Console.WriteLine($"😀 UTF-8 =>{ConvertToHex("😀", "UTF-8")}");
    }
    private static string ConvertToHex(string str, string encodingStr)
    {
        var encoding = System.Text.Encoding.GetEncoding(encodingStr);
        return ConvertToHex(str, encoding);
    }
    private static string ConvertToHex(string str, Encoding encoding)
    {
        var bs = encoding.GetBytes(str);
        return "0x" + string.Join("", bs.ToList().Select(i => i.ToString("X2")));
    }
}

打印的结果：

这里有乱码，是因为控制台使用的ANSI编码，即：GBK编码，GBK中没有emoji的字符，所有显示乱码。

方法三：我们也可以借助notepad++的16进制插件或editplus等编辑器查看，参照：《新版Notepad++加十六进制查看的插件HexEditor》

最终，我们总结得出英文大写字母“M”、汉字“王”、emoji表情“😀”的各个编码如下：

字符	ASCII	GB2312	Big5	GBK	GB18030	Unicode	UTF-16	UTF-8
W	0x57	0x57	0x57	0x57	0x57	0x57	0x57	0x57
王	无	0xCDF5	0xA4FD	0xCDF5	0xCDF5	0x738B	0x8B73	0xE78E8B
😀	无	无	无	无	0x9439FC36	0x1F6001	0x3DD800DE	0xF09F9880

16. ANSI编码、代码页为何物？

先说下代码页：

可以把代码页当做字符集编码的别名，比如：

936：代表中文简体；437：代表ASCII；65001：代表UTF-8；

完整的代码页列表，参考微软网站：《代码页标识符》

再来看ANSI：

参考：《ANSI是什么编码？》

在window环境下经常见到 “ANSI”标志，如：

乍一看，ANSI和ASCII好像，但它们不是同一个意思。

ANSI编码解释：

ANSI 并不是某一种特定的字符编码，它表示的是你的系统中设置的国家区域对应的字符编码。比如你的美国同事Bob的系统中ANSI编码其实是ASCII编码（ASCII编码不能表示汉字，所以汉字为乱码），而你的系统中（“汉字”正常显示）ANSI编码其实是GBK编码，而韩文系统中（“한국어”正常显示）ANSI编码其实是EUC-KR编码。

我们打开cmd窗口，查看cmd用的什么字符集编码：