练习23--字符串、字节和编码

一   数据在计算机中的存储方式

1  实质

       现代计算机非常复杂，但是核心就是大量的电灯开关。计算机用电来切换开关。这些开关可以以“开”代表 1，以“关”代表 0。以前有各种各样奇怪的计算机做的不只是 1 和 0 的事情，但现在所有的计算机都是一堆 1 和 0。1 代表着运行、有电、开着、进行、存在。0 代表着结束、完成、消失、关机、没电。我们把这些 1 和 0 叫做 “比特”（bits）。

       但是，一个只能让你用 1 和 0 操作的计算机将会非常低效和无聊。计算机接收了这些 1 和 0 之后，会用它们来编码更大的数字，比如用 8 个 1 和 0 来编码 256 个数（0-255）。那么编码到底是什么意思？它其实就是一个关于比特序列如何表示数字的公认标准，比如人们约定00000000 就代表数字 0，11111111 就代表数字 255，00001111 就代表数字 15。即便是在计算机诞生早期的世界级战争中，计算机也是用这些约定的 1 和 0 来做大规模计算的。

2 编码

• 字节（byte）——8 个比特（1 和 0）的序列。
• 惯例，它定义了我们对于字节的编码。
• 编码规范的发展过程：字符编码经历了ASCII码->unicode->UTF-8的演变过程
  • 美国信息交换标准编码（即 ASCII 码）
    • 这个标准建立了从一个数字到一个字母的映射，比如 90 是 Z，用比特的话就是 1011010，对应到计算机里面的 ASCII 码表。用 8 个比特（即一个字节）给一个字符编码，我们就可以把它们“串”（string）在一起来组成单词。
    • 不过 ASCII 有一个问题，它只能编码英文以及一些相似的语言，而且一个字节只能表示 256 个数字（0-255，或者 00000000-11111111）。

• • Unicode

• • • 是针对所有人类语言的“统一编码”
    • 可以用 32 个比特来编码一个 Unicode 字符，这比我们能找到的所有字符可能都要多。
    • 32 比特是 4 个字节，这就意味着对于大多数我们想要编码的文本会浪费很多空间。我们也可以用 16 比特（2 个字节），但仍然很浪费。

• • utf-8，即“Unicode Transformation Format 8 Bits”
    • 用 8 个比特来编码大多数通用字符，然后当我们需要编码更多字符的时候再使用更多的数字。
    • 它是一个把 Unicode 字符编码成字节序列（字节即比特序列，比特序列又即开关转换序列）的惯例

二 编码与解码过程详解

       在 Python 中，一个字符串就是一个 UTF-8 编码的字符序列，用来显示或者进行文本操作。而字节是一些“原始”的字节序列，Python 用来存储这些 UTF-8 字符串并以 b' 开头来告诉 python 你正在处理原始字节。

      

• 编码过程：如果你有原始字节，那你必须用 .decode() 来获取字符串。
  • 原始字节没有相关惯例，它们只是一些没有意义的数字组成的字节序列。所以你必须告诉 Python“把这些解码成 utf 字符串”。 
• 解码过程：如果你有一个字符串，并且想要发送、保存、分享它，或者对它做一些其它的操作
  • 通常情况下都可行，但是有时 Python 会扔出一个错误说它不知道如何编码。
  • 其实，Python 知道它内部的惯例，它只是不知道你需要的是哪个
  • 在这种情况下，你必须用 .encode() 来获取你需要的字节。DBES
• DBES
  • “Decode Bytes Encode Strings”（解码字节，编码字符串），当你思考如何转换字节和字符串的时候，可以在脑子里默念“迪拜斯”（DBES 发音），有字节要字符串，解码字节，有字符串要字节，编码字符串

三 代码解读

1 ex23.py文件

1　　 import sys 
2　 　script,encoding,error = sys.argv 
3　　 
4　 　def main(language_file,encoding,errors): 
5　　 　　line = language_file.readline() 
6　 　
7　 　　　if line: 
8　 　　　print_line(line,encoding,errors) 
9　 　　　return main(language_file,encoding,errors) 
10 
11　　def print_line(line,encoding,errors): 
12　　　　next_lang = line.strip() 
13　　　　raw_bytes = next_lang.encode(encoding,errors=errors) 
14　　　　cooked_string = raw_bytes.decode(encoding,errors=errors) 
15 
16　　　　print(raw_bytes,"<==>",cooked_string) 
17 
18　　languages = open("languages.txt",encoding="utf-8") 
19
20　　main(languages,encoding,error)

• 第 1-2 行： 以通常的命令行参数开始，这个你已经学过了。

• 第 4 行： 我把这段代码的主体部分定义为一个叫“main"的函数，这个函数会在脚本最后运行东西的时候被调用。

• 第 5 行：这个函数所做的第一件事就是从给出的 languages 文件中读取一行。你之前已经做过这个操作了，所以这儿没什么新内容，就像以前一样读取文本文件即可。

• 第 7 行： 现在我用了一些新东西。你将会在这本书的后半部分学到相关内容，所以把这里当作一个尝鲜吧。这是一个 if 语句，它让你在 Python 代码中做决定。你可以“测试”一个变量的真假，基于其真假，运行或者不运行这段代码。在本例中，我测试了一行中是否有内容。当readline 函数到达文件末尾的时候，它会返回空字符串，if 这一行就是为了测试这个空字符串。只要 readline 给了我们一些东西，结果就会是 true ，后面的代码就会运行（比如缩进的9-10 行），当结果是 false 的时候， python 就会跳过 9-10 行。

• 第 8 行： 然后我调用了一个单独的函数来做这一行的真正打印。这简化了我的代码，并且让我更容易理解。如果我想学习这个函数的作用，我可以跳到那儿进行学习。一旦我知道了print_line 是做什么的，我就可以把我的记忆附到 print_line 这个名称下，然后忘掉细节。

• 第 9 行： 我在这儿写了一小段非常神奇的代码。我在 main 函数内部又调用了 main 函数。其实也不神奇，因为在编程里面没有真正神奇的东西，所有你需要的信息都在那儿。这里我在一个函数里面又调用了它，好像看上去不太合理。但是问问你自己，为什么不合理？其实没有技术原因，如果一个叫 main 的函数只是跳到顶部，而我在这个函数的底部调用它，它就会回到顶部然后再次运行，这样就会形成一个循环（loop）。现在看第 8 行，你会看到 if 语句避免了这个函数无限循环。仔细研究研究这块内容，因为它是一个很重要的概念，不过如果你一下子理解不了也不用担心。

• 第 11 行 现在我开始定义 print_line 函数，它用来编码 languages.txt 文件中的每一行内容。

• 第 13 行 现在我终于获得了从 languages.txt 中收到的语言，并把它们编码成原始字节。还记得“DBES”这个辅助记忆词吗？“Decode Bytes, Encode Strings”，解码字节，编码字符串。 next_lang 变量是一个字符串，因此要获得原始字节，我必须对它调用 .encode() 函数来“编码字符串”。我把我想要的编码以及如何处理错误传递给 encode() 。

• 第 14 行 然后我做了额外一步，通过从 raw_bytes 创建一个 cooked_string 变量来逆向展示第15 行。记住，“DBES”说的是“解码字节”， raw_bytes 是字节，所以我对它调用了 .decode() 来获取一个 python 字符串。这个字符串应该和 next_lang 变量是一样的。

• 第 18 行 我已经定义完了所有函数，现在我想打开 languages.txt 文件。

• 第 20 行 在这个脚本的结尾只是用所有正确的参数运行了 main 函数，以保证一切正常运行，避免循环。记住这个之后会跳转到第 5 行 main 函数被定义的地方，然后在第 10 行又被调用了一次，会造成它的循环。不过第 8 行的 if 语句又会阻止它无限循环。

       ex23.py 脚本其实就是把字节写在 b' ' 里面，然后把它们转换成 UTF-8 编码（或者其他你设定的编码）。左边是每一个 utf-8 字节对应的数字，右边是 utf-8 实际输出的字符。之所以这样呈现，是为了让你明白 <===> 左边是 Python 用来存储字符串的数字字节或者“原始”（raw）字节，设置 b' ' 是为了告诉 Python 这是“字节”（bytes）。这些原始字节之后被“加工”（cooked）然后显示在右边，以便让你看到你的终端呈现出来的真正的字符。