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  • Python基础(八)—编码详解(ASCII、GBK、Unicode、UTF-8等)、decode&encode

    编码的发展

    看了很多篇博客,感觉还是先从历史讲起比较好…

    • ASCII
      8位的字节一共可以组合出256(2的8次方),把所有的空格、标点符号、数字、大小写字母分别用连续的字节状态表示,一直编到了第127号,这种标准被称为:ANSI 的"Ascii"编码(American Standard Code for Information Interchange,美国信息互换标准代码)。这种标准使用了1个字节7位二进制表示,最高位(b7)用作奇偶校验位。而8位二进制的256种可能的字符称为扩展ASCII码(不再是国际标准)。
    • DBCS
      为表示汉字,出现了GB2312:小于127的字符的意义与原来相同(“半角"字符),但当两个大于127的字符连接在一起时,就代表一个汉字,第一个字节称为高字节(从0xA1-0xF7),第二个字节为低字节(从0xA1-0xFE),共7000多个简体汉字。GBK全称汉字内码扩展规范,在GB2312上扩容,增了近20000个新的汉字(包括繁体字)和符号。后面出现了GB18030,收入汉字70000余个,每个字可以由 1 个、2 个或 4 个字节组成(单字节ASCII、双字节GBK、四字节)。以上汉字标准统称他们叫做"DBCS”(Double Byte Charecter Set 双字节字符集)。
    • Unicode编码
      为解决国家之间的交流,ISO (国际标谁化组织)搞一个包括了字符集:Universal Multiple-Octet Coded Character Set,简称 UCS, 俗称 “UNICODE”。规定必须用两个字节,也就是16位来统一表示所有的字符,对于ascii里的那些“半角”字符,UNICODE 包持其原编码不变,只是将其长度由原来的8位扩展为16位,而其他文化和语言的字符则全部重新统一编码,如果不够ISO也已经准备了UCS-4方案,说简单了就是四个字节来表示一个字符。
    • 零碎知识
      • “字符"和"字节”:“字节”是一个8位的物理存贮单元,而“字符”则是一个文化相关的符号。
      • 奇偶校验:是指在代码传送过程中用来检验是否出现错误的一种方法,一般分奇校验和偶校验两种。奇校验规定:正确的代码一个字节中1的个数必须是奇数,若非奇数,则在最高位b7添0;偶校验规定:正确的代码一个字节中1的个数必须是偶数,若非偶数,则在最高位b7添1。
      • 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。
      • 由于"半角"英文符号只需要用到低8位,所以其高8位永远是0,因此这种大气的方案在保存英文文本时会多浪费一倍的空间。
    • 以上可以简化为下表:
    系统内码说明系统
    阶段一ASCII计算机刚开始只支持英语,其它语言不能够在计算机上存储和显示。英文 DOS
    阶段二ANSI编码(本地化)为使计算机支持更多语言,通常使用 0x80~0xFF 范围的 2 个字节来表示 1 个字符。
    比如:汉字 ‘中’ 在中文操作系统中,使用 [0xD6,0xD0] 这两个字节存储。不同的国家和地区制定了不同的标准,由此产生了 GB2312, BIG5, JIS 等各自的编码标准。这些使用 2 个字节来代表一个字符的各种汉字延伸编码方式,称为 ANSI 编码。
    在简体中文系统下,ANSI 编码代表 GB2312 编码,在日文操作系统下,ANSI 编码代表 JIS 编码。不同 ANSI 编码之间互不兼容,当信息在国际间交流时,无法将属于两种语言的文字,存储在同一段 ANSI 编码的文本中。
    中文 DOS,中文 Windows 95/98,日文 Windows 95/98
    阶段三UNICODE(国际化)为了使国际间信息交流更加方便,国际组织制定了 UNICODE 字符集,为各种语言中的每一个字符设定了统一并且唯一的数字编号,以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。Windows NT/2000/XP,Linux,Java

    编码规则

    • 编码规则种类
      虽然以上规定了各类的字符集,有些却没有对应的编码规则去统一实现,例如:UTF-8是Unicode的实现方式之一。下面是介绍字符集对应的各类编码规则:
    分类编码标准说明
    单字节字符编码ISO-8859-1最简单的编码规则,每一个字节直接作为一个 UNICODE 字符。比如,[0xD6, 0xD0] 这两个字节,通过 iso-8859-1 转化为字符串时,将直接得到 [0x00D6, 0x00D0] 两个 UNICODE 字符,即 “ÖД。
    反之,将 UNICODE 字符串通过 iso-8859-1 转化为字节串时,只能正常转化 0~255 范围的字符。
    ANSI 编码GB2312,
    BIG5,
    Shift_JIS,
    ISO-8859-2 ……
    把 UNICODE 字符串通过 ANSI 编码转化为“字节串”时,根据各自编码的规定,一个 UNICODE 字符可能转化成一个字节或多个字节。
    反之,将字节串转化成字符串时,也可能多个字节转化成一个字符。比如,[0xD6, 0xD0] 这两个字节,通过 GB2312 转化为字符串时,将得到 [0x4E2D] 一个字符,即 ‘中’ 字。
    “ANSI 编码”的特点:
    1. 这些“ANSI 编码标准”都只能处理各自语言范围之内的 UNICODE 字符。
    2. “UNICODE 字符”与“转换出来的字节”之间的关系是人为规定的。
    UNICODE 编码UTF-8,
    UTF-16,
    UnicodeBig ……
    与“ANSI 编码”类似的,把字符串通过 UNICODE 编码转化成“字节串”时,一个 UNICODE 字符可能转化成一个字节或多个字节。
    与“ANSI 编码”不同的是:
    1. 这些“UNICODE 编码”能够处理所有的 UNICODE 字符。
    2. “UNICODE 字符”与“转换出来的字节”之间是可以通过计算得到的
    • UTF-8
      • UTF-8是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。UTF-8的编码规则只有两条:
        • 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。
        • 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。
          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
    • 看起来utf-16更加节省资源,节省空间。但实际上,当时,互联网上绝大部分存在的资源都是英文的,英文在utf-16中也是2个字节,而在utf-8中则是1个字节。在当时,显然是utf-8更加节省资源。现在我们在中文世界里来比较他们,则是utf-16更加节省资源。
    • UTF-8出现的原因:unicode编码是用两个字节来存储字符,如果一篇文章中,大部分都是英文,使用unicode编码就会造成空间的浪费,对英文部分使用ASCII码只需要一个字节就可以了。这时候,utf-8解决了这个问题。utf-8是一种可变长的字符编码,当存储英文时只使用一个字节,节省了一半的空间,而存储中文字符时,长度还是不变。utf-8虽然压缩了存储空间,但是如果在内存中存储,使用utf-8却由于它的长度不固定,带来了很大的不便,使得在内存处理字符变得复杂。应对这个问题的解决策略是:在内存中存储字符时还是使用unicode编码,因为unicode编码的长度固定,处理起来很方便。而在文件的存储中,则使用utf-8编码,可以压缩内存,节省空间。这里一般有个自动转换的机制,即从文件中读取utf-8编码到内存时,会自动转换为unicode编码,而从内存中将字符保存到文件时,则自动转换为utf-8编码。

    decode&encode

    编码转换时,通常需要以unicode作为中间编码,即先将其他编码的字符串解码(decode)成unicode,再从unicode编码(encode)成另一种编码。如下图:
    编码转换.png

    • 关于两者的正确理解
      • decode的作用是将其他编码的字符串转换成Unicode编码,如str1.decode(‘gb2312’),表示将gb2312编码的字符串str1转换成Unicode编码。
      • encode的作用是将unicode编码转换成其他编码的字符串,如str2.encode(‘gb2312’),表示将Unicode编码的字符串str2转换成gb2312编码。
    • 注意事项:
      • s=‘中文’ 如果是在utf8的文件中,该字符串就是utf8编码,如果是在gb2312的文件中,则其编码为gb2312。这种情况下,要进行编码转换,都需要先用decode方法将其转换成unicode编码,再使用encode方法将其转换成其他编码。
      • 在没有指定特定的编码方式时,都是使用的系统默认编码创建的代码文件。
      • 如果字符串是这样定义: s=u’中文’ 则该字符串的编码就被指定为unicode了,即python的内部编码,而与代码文件本身的编码无关。只需要直接使用encode方法将其转换成指定编码即可
      • 如果一个字符串已经是unicode了,再进行解码则将出错,因此通常要对其编码方式是否为unicode进行判断isinstance(s, unicode) #用来判断是否为unicode

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