UNICODE,GBK,UTF-8区别

Unicode编码，简要解释UCS、UTF、BMP、BOM等名词。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。如果将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，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。

　　从ASCII、GB2312到GBK，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都属于双字节字符集 (DBCS)。

　　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。从汉字字汇上说，GB18030在GB13000.1的20902个汉字的基础上增加了CJK扩展A的6582个汉字(Unicode码0x3400-0x4db5)，一共收录了27484个汉字。

　　CJK就是中日韩的意思。Unicode为了节省码位，将中日韩三国语言中的文字统一编码。GB13000.1就是ISO/IEC 10646-1的中文版，相当于Unicode 1.1。

　　GB18030的编码采用单字节、双字节和4字节方案。其中单字节、双字节和GBK是完全兼容的。4字节编码的码位就是收录了CJK扩展A的6582个汉字。例如：UCS的0x3400在GB18030中的编码应该是8139EF30，UCS的0x3401在GB18030中的编码应该是8139EF31。

　　微软提供了GB18030的升级包，但这个升级包只是提供了一套支持CJK扩展A的6582个汉字的新字体：新宋体-18030，并不改变内码。Windows 的内码仍然是GBK。

　　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。

　　对于任何字符编码，编码单元的顺序是由编码方案指定的，与endian无关。例如GBK的编码单元是字节，用两个字节表示一个汉字。这两个字节的顺序是固定的，不受CPU字节序的影响。UTF-16的编码单元是word(双字节)，word之间的顺序是编码方案指定的，word内部的字节排列才会受到endian的影响。后面还会介绍UTF-16。

　　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ISO 10646-3:2003。

　　UCS只是规定如何编码，并没有规定如何传输、保存这个编码。例如“汉”字的UCS编码是6C49，我可以用4个ascii数字来传输、保存这个编码;也可以用utf-8编码:3个连续的字节E6 B1 89来表示它。关键在于通信双方都要认可。UTF-8、UTF-7、UTF-16都是被广泛接受的方案。UTF-8的一个特别的好处是它与ISO-8859-1完全兼容。UTF是“UCS Transformation Format”的缩写。

　　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。

　　2.1、内码和code page

　　目前Windows的内核已经支持Unicode字符集，这样在内核上可以支持全世界所有的语言文字。但是由于现有的大量程序和文档都采用了某种特定语言的编码，例如GBK，Windows不可能不支持现有的编码，而全部改用Unicode。

　　Windows使用代码页(code page)来适应各个国家和地区。code page可以被理解为前面提到的内码。GBK对应的code page是CP936。

　　微软也为GB18030定义了code page：CP54936。但是由于GB18030有一部分4字节编码，而Windows的代码页只支持单字节和双字节编码，所以这个code page是无法真正使用的。

　　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。