2. Unicode 和 UTF-8

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2023-12-01

2. Unicode和UTF-8

为了统一全世界各国语言文字和专业领域符号（例如数学符号、乐谱符号）的编码，ISO制定了ISO 10646标准，也称为UCS（Universal Character Set）。UCS编码的长度是31位，可以表示2³¹个字符。如果两个字符编码的高位相同，只有低16位不同，则它们属于一个平面（Plane），所以一个平面由2¹⁶个字符组成。目前常用的大部分字符都位于第一个平面（编码范围是U-00000000~U-0000FFFD），称为BMP（Basic Multilingual Plane）或Plane 0，为了向后兼容，其中编号为0~256的字符和Latin-1相同。UCS编码通常用U-xxxxxxxx这种形式表示，而BMP的编码通常用U+xxxx这种形式表示，其中x是十六进制数字。在ISO制定UCS的同时，另一个由厂商联合组织也在着手制定这样的编码，称为Unicode，后来两家联手制定统一的编码，但各自发布各自的标准文档，所以UCS编码和Unicode码是相同的。

有了字符编码，另一个问题就是这样的编码在计算机中怎么表示。现在已经不可能用一个字节表示一个字符了，最直接的想法就是用四个字节表示一个字符，这种表示方法称为UCS-4或UTF-32，UTF是Unicode Transformation Format的缩写。一方面这样比较浪费存储空间，由于常用字符都集中在BMP，高位的两个字节通常是0，如果只用ASCII码或Latin-1，高位的三个字节都是0。另一种比较节省存储空间的办法是用两个字节表示一个字符，称为UCS-2或UTF-16，这样只能表示BMP中的字符，但BMP中有一些扩展字符，可以用两个这样的扩展字符表示其它平面的字符，称为Surrogate Pair。无论是UTF-32还是UTF-16都有一个更严重的问题是和C语言不兼容，在C语言中0字节表示字符串结尾，库函数strlen、strcpy等等都依赖于这一点，如果字符串用UTF-32存储，其中有很多0字节并不表示字符串结尾，这就乱套了。

UNIX之父Ken Thompson提出的UTF-8编码很好地解决了这些问题，现在得到广泛应用。UTF-8具有以下性质：

编码为U+0000~U+007F的字符只占一个字节，就是0x00~0x7F，和ASCII码兼容。
编码大于U+007F的字符用2~6个字节表示，每个字节的最高位都是1，而ASCII码的最高位都是0，因此非ASCII码字符的表示中不会出现ASCII码字节（也就不会出现0字节）。
用于表示非ASCII码字符的多字节序列中，第一个字节的取值范围是0xC0~0xFD，根据它可以判断后面有多少个字节也属于当前字符的编码。后面每个字节的取值范围都是0x80~0xBF，见下面的详细说明。
UCS定义的所有2³¹个字符都可以用UTF-8编码表示出来。
UTF-8编码最长6个字节，BMP字符的UTF-8编码最长三个字节。
0xFE和0xFF这两个字节在UTF-8编码中不会出现。

具体来说，UTF-8编码有以下几种格式：

U-00000000 – U-0000007F: 0xxxxxxx
U-00000080 – U-000007FF: 110xxxxx 10xxxxxx
U-00000800 – U-0000FFFF: 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-00010000 – U-001FFFFF: 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-00200000 – U-03FFFFFF: 111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-04000000 – U-7FFFFFFF: 1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

第一个字节要么最高位是0（ASCII字节），要么最高两位都是1，最高位之后1的个数决定后面有多少个字节也属于当前字符编码，例如111110xx，最高位之后还有四个1，表示后面有四个字节也属于当前字符的编码。后面每个字节的最高两位都是10，可以和第一个字节区分开。这样的设计有利于误码同步，例如在网络传输过程中丢失了几个字节，很容易判断当前字符是不完整的，也很容易找到下一个字符从哪里开始，结果顶多丢掉一两个字符，而不会导致后面的编码解释全部混乱了。上面的格式中标为x的位就是UCS编码，最后一种6字节的格式中x位有31个，可以表示31位的UCS编码，UTF-8就像一列火车，第一个字节是车头，后面每个字节是车厢，其中承载的货物是UCS编码。UTF-8规定承载的UCS编码以大端表示，也就是说第一个字节中的x是UCS编码的高位，后面字节中的x是UCS编码的低位。

例如U+00A9（©字符）的二进制是10101001，编码成UTF-8是11000010 10101001（0xC2 0xA9），但不能编码成11100000 10000010 10101001，UTF-8规定每个字符只能用尽可能少的字节来编码。