字符编码：ASCII，Unicode，UTF-8，GB2312

从文件编码的方式来看，文件可分为ASCII码文件和二进制码文件两种。

ASCII文件也称为文本文件，这种文件在磁盘中存放时每个字符对应一个字节，用于存放对应的ASCII码。例如，数5678的存储形式为：
ASC码： 　00110101 00110110 00110111 00111000
                          ↓ 　　　   ↓　　　     ↓ 　　　       ↓
十 进制码：        5　　　　6　　　     7　　　　     8             共占用4个字节。ASCII码文件可在屏幕上按字符显示， 例如源程序文件就是ASCII文件，用DOS命令TYPE可显示文件的内容。 由于是按字符显示，因此能读懂文件内容。

二进制文件是按二进制的编码方式来存放文件的。 例如， 数5678的存储形式为： 00010110 00101110只占二个字节。二进制文件虽然也可在屏幕上显示，但其内容无法读懂。C系统在处理这些文件时，并不区分类型，都看成是字符流，按字节进行 处理。输入输出字符流的开始和结束只由程序控制而不受物理符号(如回车符)的控制。 因此也把这种文件称作“流式文件”。

这是一篇程序员写给程序员的趣味读物。所谓趣味是指可以比较轻松地了解一些原来不清楚的概念，增进知识，类似于打RPG游戏的升级。整理这篇文章的动机是两个问题：

问题一： 
使用Windows记事本的“另存为”，可以在GBK、Unicode、Unicode big endian和UTF-8这几种编码方式间相互转换。同样是txt文件，Windows是怎样识别编码方式的呢？

我 很早前就发现Unicode、Unicode big endian和UTF-8编码的txt文件的开头会多出几个字节，分别是FF、FE（Unicode）,FE、FF（Unicode big endian）,EF、BB、BF（UTF-8）。但这些标记是基于什么标准呢？

问题二： 
最近在网上看到一个 ConvertUTF.c，实现了UTF-32、UTF-16和UTF-8这三种编 码方式的相互转换。对于Unicode(UCS2)、 GBK、UTF-8这些编码方式，我原来就了解。但这个程序让我有些糊涂，想不起来UTF-16和UCS2有什么关系。 
查了查相关资料，总算将这些问题弄清楚了，顺带也了解了一些Unicode的细节。写成一篇文章，送给有过类似疑问的朋友。本文在写作时尽量做到通俗易懂，但要求读者知道什么是字节，什么是十六进制。

0、big endian和little endian
big endian和little endian是CPU处理多字节数的不同方式。例如“汉”字的Unicode编码是6C49。那么写到文件里时，究竟是将6C写在前面，还是将49写在前 面？如果将6C写在前面，就是big endian。还是将49写在前面，就是little endian。

“endian”这个词出自《格列佛游记》。小人国的内战就源于吃鸡蛋时是究竟从大头(Big-Endian)敲开还是从小头(Little-Endian)敲开，由此曾发生过六次叛乱，其中一个皇帝送了命，另一个丢了王位。

我们一般将endian翻译成“字节序”，将big endian和little endian称作“大尾”和“小尾”。

1、字符编码、内码，顺带介绍汉字编码
字符必须编码后才能被计算机处理。计算机使用的缺省编码方式就是计算机的内码。早期的计算机使用7位的ASCII编码，为了处理汉字，程序员设计了用于简体中文的GB2312和用于繁体中文的big5。

GB2312(1980年)一共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其它符号。汉字区的内码范围高字节从B0-F7，低字节从A1-FE，占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA-D7FE。

GB2312 支持的汉字太少。1995年的汉字扩展规范GBK1.0收录了21886个符号，它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。2000年的 GB18030是取代GBK1.0的正式国家标准。该标准收录了27484个汉字，同时还收录了藏文、蒙文、维吾尔文等主要的少数民族文字。现在的PC平 台必须支持GB18030，对嵌入式产品暂不作要求。所以手机、MP3一般只支持GB2312。

从 ASCII、 GB2312、GBK到GB18030，这些编码方法是向下兼容的，即同一个字符在这些方案中总是有相同的编码，后面的标准支持更多的字符。在这些编码 中，英文和中文可以统一地处理。区分中文编码的方法是高字节的最高位不为0。按照程序员的称呼，GB2312、GBK到GB18030都属于双字节字符集 (DBCS)。

有的中文Windows的缺省内码还是GBK，可以通过GB18030升级包升级到GB18030。不过GB18030相对GBK增加的字符，普通人是很难用到的，通常我们还是用GBK指代中文Windows内码。

这里还有一些细节：

GB2312的原文还是区位码，从区位码到内码，需要在高字节和低字节上分别加上A0。

在DBCS中，GB内码的存储格式始终是big endian，即高位在前。

GB2312 的两个字节的最高位都是1。但符合这个条件的码位只有128*128=16384个。所以GBK和GB18030的低字节最高位都可能不是1。不过这不影 响DBCS字符流的解析：在读取DBCS字符流时，只要遇到高位为1的字节，就可以将下两个字节作为一个双字节编码，而不用管低字节的高位是什么。

2、Unicode、UCS和UTF
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（更准确地说，是与ISO-8859-1兼容），与GB码不兼容。例如“汉”字的Unicode编码是6C49，而GB码是BABA。

Unicode 也是一种字符编码方法，不过它是由国际组织设计，可以容纳全世界所有语言文字的编码方案。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。

根据维基百科全书(http: //zh.wikipedia.org/wiki/)的记载：历史上存在两个试图独立设计Unicode的组织，即国际标准化组织（ISO）和一个软件制 造商的协会（unicode.org）。ISO开发了ISO 10646项目，Unicode协会开发了Unicode项目。

在1991年前后，双方都认识到世界不需要两个不兼容的字符集。于是它们开始合并双方的工作成果，并为创立一个单一编码表而协同工作。从Unicode2.0开始，Unicode项目采用了与ISO 10646-1相同的字库和字码。

目前两个项目仍都存在，并独立地公布各自的标准。Unicode协会现在的最新版本是2005年的Unicode 4.1.0。ISO的最新标准是10646-3:2003。

UCS规定了怎么用多个字节表示各种文字。怎样传输这些编码，是由UTF(UCS Transformation Format)规范规定的，常见的UTF规范包括UTF-8、UTF-7、UTF-16。

IETF 的RFC2781和RFC3629以RFC的一贯风格，清晰、明快又不失严谨地描述了UTF-16和UTF-8的编码方法。我总是记不得IETF是 Internet Engineering Task Force的缩写。但IETF负责维护的RFC是Internet上一切规范的基础。

3、UCS-2、UCS-4、BMP
UCS有两种格式：UCS-2和UCS-4。顾名思义，UCS-2就是用两个字节编码，UCS-4就是用4个字节（实际上只用了31位，最高位必须为0）编码。下面让我们做一些简单的数学游戏：

UCS-2有2^16=65536个码位，UCS-4有2^31=2147483648个码位。

UCS -4根据最高位为0的最高字节分成2^7=128个group。每个group再根据次高字节分为256个plane。每个plane根据第3个字节分为 256行 (rows)，每行包含256个cells。当然同一行的cells只是最后一个字节不同，其余都相同。

group 0的plane 0被称作Basic Multilingual Plane, 即BMP。或者说UCS-4中，高两个字节为0的码位被称作BMP。

将UCS-4的BMP去掉前面的两个零字节就得到了UCS-2。在UCS-2的两个字节前加上两个零字节，就得到了UCS-4的BMP。而目前的UCS-4规范中还没有任何字符被分配在BMP之外。

4、UTF编码
UTF-8就是以8位为单元对UCS进行编码。从UCS-2到UTF-8的编码方式如下：

UCS-2编码(16进制) UTF-8 字节流(二进制) 
0000 - 007F 0xxxxxxx 
0080 - 07FF 110xxxxx 10xxxxxx 
0800 - FFFF 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

例 如“汉”字的Unicode编码是6C49。6C49在0800-FFFF之间，所以肯定要用3字节模板了：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将6C49写成二进制是：0110 110001 001001， 用这个比特流依次代替模板中的x，得到：11100110 10110001 10001001，即E6 B1 89。

读者可以用记事本测试一下我们的编码是否正确。

UTF -16以16位为单元对UCS进行编码。对于小于0x10000的UCS码，UTF-16编码就等于UCS码对应的16位无符号整数。对于不小于 0x10000的UCS码，定义了一个算法。不过由于实际使用的UCS2，或者UCS4的BMP必然小于0x10000，所以就目前而言，可以认为UTF -16和UCS-2基本相同。但UCS-2只是一个编码方案，UTF-16却要用于实际的传输，所以就不得不考虑字节序的问题。

5、UTF的字节序和BOM
UTF -8以字节为编码单元，没有字节序的问题。UTF-16以两个字节为编码单元，在解释一个UTF-16文本前，首先要弄清楚每个编码单元的字节序。例如收 到一个“奎”的Unicode编码是594E，“乙”的Unicode编码是4E59。如果我们收到UTF-16字节流“594E”，那么这是“奎”还是 “乙”？

Unicode规范中推荐的标记字节顺序的方法是BOM。BOM不是“Bill Of Material”的BOM表，而是Byte Order Mark。BOM是一个有点小聪明的想法：

在UCS 编码中有一个叫做"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"的字符，它的编码是FEFF。而FFFE在UCS中是不存在的字符，所以不应该出现在实际传输中。UCS规范建议我们在传输字节流前，先传输 字符"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"。

这样如果接收者收到FEFF，就表明这个字节流是Big-Endian的；如果收到FFFE，就表明这个字节流是Little-Endian的。因此字符"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"又被称作BOM。

UTF -8不需要BOM来表明字节顺序，但可以用BOM来表明编码方式。字符"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"的UTF-8编码是EF BB BF（读者可以用我们前面介绍的编码方法验证一下）。所以如果接收者收到以EF BB BF开头的字节流，就知道这是UTF-8编码了。

Windows就是使用BOM来标记文本文件的编码方式的。

6、进一步的参考资料
本文主要参考的资料是 "Short overview of ISO-IEC 10646 and Unicode" (http://www.nada.kth.se/i18n/ucs/unicode-iso10646-oview.html)。

我还找了两篇看上去不错的资料，不过因为我开始的疑问都找到了答案，所以就没有看：

"Understanding Unicode A general introduction to the Unicode Standard" (http://scripts.sil.org/cms/scripts/page.php?site_id=nrsi&item_id=IWS-Chapter04a) 
"Character set encoding basics Understanding character set encodings and legacy encodings" (http://scripts.sil.org/cms/scripts/page.php?site_id=nrsi&item_id=IWS-Chapter03)

字符编码简介：ASCII，Unicode，UTF-8，GB2312

1. ASCII码

我 们知道，在计算机内部，所有的信息最终都表示为一个二进制的字符串。每一个二进制位（bit）有0和 1两种状态，因此八个二进制位就可以组合出256种状态，这被称为一个字节（byte）。也就是说，一个字节一共可以用来表示256种不同的状态，每一个 状态对应一个符号，就是256个符号，从0000000到11111111。

上个世纪60年代，美国制定了一套字符编码，对英语字符与二进制位之间的关系，做了统一规定。这被称为ASCII码，一直沿用至今。

ASCII码一共规定了128个字符的编码，比如空格“SPACE”是32（二进制00100000），大写的字母A是65（二进制01000001）。这128个符号（包括32个不能打印出来的控制符号），只占用了一个字节的后面7位，最前面的1位统一规定为0。

2、非ASCII编码

英 语用128个符号编码就够了，但是用来表示其他语言，128个符号是不够的。比如，在法语中，字母上 方有注音符号，它就无法用ASCII码表示。于是，一些欧洲国家就决定，利用字节中闲置的最高位编入新的符号。比如，法语中的é的编码为130（二进制 10000010）。这样一来，这些欧洲国家使用的编码体系，可以表示最多256个符号。

但是，这里又出现了新的问题。不同的国家有不同的 字母，因此，哪怕它们都使用256个符号的编码方式， 代表的字母却不一样。比如，130在法语编码中代表了é，在希伯来语编码中却代表了字母Gimel (ג)，在俄语编码中又会代表另一个符号。但是不管怎样，所有这些编码方式中，0—127表示的符号是一样的，不一样的只是128—255的这一段。

至 于亚洲国家的文字，使用的符号就更多了，汉字就多达10万左右。一个字节只能表示256种符号，肯定 是不够的，就必须使用多个字节表达一个符号。比如，简体中文常见的编码方式是GB2312，使用两个字节表示一个汉字，所以理论上最多可以表示 256x256=65536个符号。

中文编码的问题需要专文讨论，这篇笔记不涉及。这里只指出，虽然都是用多个字节表示一个符号，但是GB类的汉字编码与后文的Unicode和UTF-8是毫无关系的。

3、Unicode

Unicode 字符集（简称为UCS）,国际标准组织于1984年4月成立ISO/IEC JTC1/SC2/WG2工作组，针对各国文字、符号进行统一性编码。1991年美国跨国公司成立Unicode Consortium，并于1991年10月与WG2达成协议，采用同一编码字集。目前Unicode是采用16位编码体系，其字符集内容与 ISO10646的BMP（Basic Multilingual Plane）相同。Unicode于1992年6月通过DIS（Draf International Standard），目前版本V2.0于1996公布，内容包含符号6811个，汉字20902个，韩文拼音11172个，造字区6400个，保留 20249个，共计65534个。Unicode编码后的大小是一样的.例如一个英文字母 "a" 和　一个汉字 "好"，编码后都是占用的空间大小是一样的，都是两个字节！

Unicode可以用来表示所有语言的字符，而且是定长双字节（也有四字节的） 编码，包括英文字母在 内。所以可以说它是不兼容iso8859-1编码的，也不兼容任何编码。不过，相对于iso8859-1编码来说，uniocode编码只是在前面增加了 一个0字节，比如字母'a'为"00 61"。

需要说明的是，定长编码便于计算机处理（注意GB2312/GBK不是定长编码），而unicode又可以用来表示所有字符，所以在很多软件内部是使用unicode编码来处理的，比如java。

Unicode 当然是一个很大的集合，现在的规模可以容纳100多万个符号。每个符号的编码都不一样， 比如，U+0639表示阿拉伯字母Ain，U+0041表示英语的大写字母A，U+4E25表示汉字“严”。具体的符号对应表，可以查询 unicode.org，或者专门的汉字对应表。 http://www.chi2ko.com/tool/CJK.htm

4. Unicode的问题

需要注意的是，Unicode只是一个符号集，它只规定了符号的二进制代码，却没有规定这个二进制代码应该如何存储。

比如，汉字“严”的unicode是十六进制数4E25，转换成二进制数足足有15位（100111000100101），也就是说这个符号的表示至少需要2个字节。表示其他更大的符号，可能需要3个字节或者4个字节，甚至更多。

这 里就有两个严重的问题，第一个问题是，如何才能区别unicode和ascii？计算机怎么知道三个 字节表示一个符号，而不是分别表示三个符号呢？第二个问题是，我们已经知道，英文字母只用一个字节表示就够了，如果unicode统一规定，每个符号用三 个或四个字节表示，那么每个英文字母前都必然有二到三个字节是0，这对于存储来说是极大的浪费，文本文件的大小会因此大出二三倍，这是无法接受的。

它们造成的结果是：1）出现了unicode的多种存储方式，也就是说有许多种不同的二进制格式，可以用来表示unicode。2）unicode在很长一段时间内无法推广，直到互联网的出现。

5.UTF-8

互联网的普及，强烈要求出现一种统一的编码方式。UTF-8就是在互联网上使用最广的一种unicode的实现方式。其他实现方式还包括UTF-16和UTF-32，不过在互联网上基本不用。重复一遍，这里的关系是，UTF-8是Unicode的实现方式之一。

UTF-8最大的一个特点，就是它是一种变长的编码方式。它可以使用1~4个字节表示一个符号，根据不同的符号而变化字节长度。

UTF-8的编码规则很简单，只有二条：

1）对于单字节的符号，字节的第一位设为0，后面7位为这个符号的unicode码。因此对于英语字母，UTF-8编码和ASCII码是相同的。

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。

下表总结了编码规则，字母x表示可用编码的位。

Unicode符号范围 | UTF-8编码方式
(十六进制) | （二进制）
--------------------+---------------------------------------------
0000 0000-0000 007F | 0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF | 110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF | 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

下面，还是以汉字“严”为例，演示如何实现UTF-8编码。

已 知“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。

6. Unicode与UTF-8之间的转换

通过上一节的例子，可以看到“严”的Unicode码是4E25，UTF-8编码是E4B8A5，两者是不一样的。它们之间的转换可以通过程序实现。

在Windows平台下，有一个最简单的转化方法，就是使用内置的记事本小程序Notepad.exe。打开文件后，点击“文件”菜单中的“另存为”命令，会跳出一个对话框，在最底部有一个“编码”的下拉条。

里面有四个选项：ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8。

1）ANSI是默认的编码方式。对于英文文件是ASCII编码，对于简体中文文件是GB2312编码（只针对Windows简体中文版，如果是繁体中文版会采用Big5码）。

2）Unicode编码指的是UCS-2编码方式，即直接用两个字节存入字符的Unicode码。这个选项用的little endian格式。

3）Unicode big endian编码与上一个选项相对应。我在下一节会解释little endian和big endian的涵义。

4）UTF-8编码，也就是上一节谈到的编码方法。

选择完”编码方式“后，点击”保存“按钮，文件的编码方式就立刻转换好了。

7. Little endian和Big endian

上 一节已经提到，Unicode码可以采用UCS-2格式直接存储。以汉字”严“为例，Unicode 码是4E25，需要用两个字节存储，一个字节是4E，另一个字节是25。存储的时候，4E在前，25在后，就是Big endian方式；25在前，4E在后，就是Little endian方式。

这两个古怪的名称来自英国作家斯威夫特的《格列佛游记》。在 该书中，小人国里爆发了内战，战争起因是人 们争论，吃鸡蛋时究竟是从大头(Big-Endian)敲开还是从小头(Little-Endian)敲开。为了这件事情，前后爆发了六次战争，一个皇帝 送了命，另一个皇帝丢了王位。

因此，第一个字节在前，就是”大头方式“（Big endian），第二个字节在前就是”小头方式“（Little endian）。

那么很自然的，就会出现一个问题：计算机怎么知道某一个文件到底采用哪一种方式编码？

Unicode规范中定义，每一个文件的最前面分别加入一个表示编码顺序的字符，这个字符的名字叫做”零宽度非换行空格“（ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE），用FEFF表示。这正好是两个字节，而且FF比FE大1。

如果一个文本文件的头两个字节是FE FF，就表示该文件采用大头方式；如果头两个字节是FF FE，就表示该文件采用小头方式。

8. 实例

下面，举一个实例。

打开”记事本“程序Notepad.exe，新建一个文本文件，内容就是一个”严“字，依次采用ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8编码方式保存。

然后，用文本编辑软件UltraEdit中的”十六进制功能“，观察该文件的内部编码方式。

1）ANSI：文件的编码就是两个字节“D1 CF”，这正是“严”的GB2312编码，这也暗示GB2312是采用大头方式存储的。

2）Unicode：编码是四个字节“FF FE 25 4E”，其中“FF FE”表明是小头方式存储，真正的编码是4E25。

3）Unicode big endian：编码是四个字节“FE FF 4E 25”，其中“FE FF”表明是大头方式存储。

4）UTF-8：编码是六个字节“EF BB BF E4 B8 A5”，前三个字节“EF BB BF”表示这是UTF-8编码，后三个“E4B8A5”就是“严”的具体编码，它的存储顺序与编码顺序是一致的。

9 国标
9.1 GB码

全称是GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集基本集》，1980年发布，是中文信息处理的国家标准，在大陆及海外使用简体中文的地区（如新加坡 等）是强制使用的唯一中文编码。P-Windows3.2和苹果OS就是以GB2312为基本汉字编码， Windows 95/98则以GBK为基本汉字编码、但兼容支持GB2312。 
双字节编码
范围：A1A1~FEFE
A1-A9：符号区，包含682个符号
B0-F7：汉字区，包含6763个汉字

9.2 GB2312

GB2312(1980年)一共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其它符号。汉字区的内码范围高字节从B0-F7，低字节从 A1-FE，占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA-D7FE。GB2312-80中共收录了7545个字符，用两个字节编码一个 字符。每个字符最高位为0。GB2312-80编码简称国标码。

　　GB2312支持的汉字太少。1995年的汉字扩展规范GBK1.0收录了21886个符号，它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。

9.3 GB12345-90

1990 年制定了繁体字的编码标准GB12345-90《信息交换用汉字编码字符集第一辅助集》，目的 在于规范必须使用繁体字的各种场合，以及古籍整理等。该标准共收录6866个汉字（比GB2312多103个字，其它厂商的字库大多不包括这些字），纯繁 体的字大概有2200余个。 
双字节编码
范围：A1A1~FEFE
A1-A9：符号区，增加竖排符号
B0-F9：汉字区，包含6866个汉字

9.4 GBK

GBK编码(Chinese Internal Code Specification)是中国大 陆制订的、等同于UCS的新的中文编码扩展国家标准。gbk编码能够用来同时表示繁体字和简体字，而gb2312只 能表示简体字，gbk是兼容gb2312编码的。GBK工作小组于1995年10月，同年12月完成GBK规范。该编码标准兼容GB2312，共收录汉字 21003个、符号883个，并提供1894个造字码位，简、繁体字融于一库。Windows95/98简体中文版的字库表层编码就采用的是GBK，通过 GBK与UCS之间一一对应的码表与底层字库联系。
英文名：Chinese Internal Code Specification
中文名：汉字内码扩展规范1.0版
双字节编码，GB2312-80的扩充，在码位上和GB2312-80兼容
范围：8140~FEFE（剔除xx7F）共23940个码位
包含21003个汉字，包含了ISO/IEC 10646-1中的全部中日韩汉字