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  • python基础语法:字符编码 使用UTF-8编码(三)

    5.字符编码  使用UTF-8编码

    我们已经讲过了,字符串也是一种数据类型,但是,字符串比较特殊的是还有一个编码问题。

    因为计算机只能处理数字,如果要处理文本,就必须先把文本转换为数字才能处理。最早的计算机在设计时采用8个比特(bit)作为一个字节(byte),所以,一个字节能表示的最大的整数就是255(二进制11111111=十进制255),如果要表示更大的整数,就必须用更多的字节。比如两个字节可以表示的最大整数是65535,4个字节可以表示的最大整数是4294967295

    由于计算机是美国人发明的,因此,最早只有127个字符被编码到计算机里,也就是大小写英文字母、数字和一些符号,这个编码表被称为ASCII编码,比如大写字母A的编码是65,小写字母z的编码是122

    但是要处理中文显然一个字节是不够的,至少需要两个字节,而且还不能和ASCII编码冲突,所以,中国制定了GB2312编码,用来把中文编进去。

    你可以想得到的是,全世界有上百种语言,日本把日文编到Shift_JIS里,韩国把韩文编到Euc-kr里,各国有各国的标准,就会不可避免地出现冲突,结果就是,在多语言混合的文本中,显示出来会有乱码。

    因此,Unicode应运而生。Unicode把所有语言都统一到一套编码里,这样就不会再有乱码问题了。

    Unicode标准也在不断发展,但最常用的是用两个字节表示一个字符(如果要用到非常偏僻的字符,就需要4个字节)。现代操作系统和大多数编程语言都直接支持Unicode。

    现在,捋一捋ASCII编码和Unicode编码的区别:ASCII编码是1个字节,而Unicode编码通常是2个字节。

    字母A用ASCII编码是十进制的65,二进制的01000001

    字符0用ASCII编码是十进制的48,二进制的00110000,注意字符'0'和整数0是不同的;

    汉字已经超出了ASCII编码的范围,用Unicode编码是十进制的20013,二进制的01001110 00101101

    你可以猜测,如果把ASCII编码的A用Unicode编码,只需要在前面补0就可以,因此,A的Unicode编码是00000000 01000001

    新的问题又出现了:如果统一成Unicode编码,乱码问题从此消失了。但是,如果你写的文本基本上全部是英文的话,用Unicode编码比ASCII编码需要多一倍的存储空间,在存储和传输上就十分不划算。

    所以,本着节约的精神,又出现了把Unicode编码转化为“可变长编码”的UTF-8编码。UTF-8编码把一个Unicode字符根据不同的数字大小编码成1-6个字节,常用的英文字母被编码成1个字节,汉字通常是3个字节,只有很生僻的字符才会被编码成4-6个字节。如果你要传输的文本包含大量英文字符,用UTF-8编码就能节省空间:

    字符

    ASCII

    Unicode

    UTF-8

    A

    01000001

    00000000 01000001

    01000001

    x

    01001110 00101101

    11100100 10111000 10101101

    从上面的表格还可以发现,UTF-8编码有一个额外的好处,就是ASCII编码实际上可以被看成是UTF-8编码的一部分,所以,大量只支持ASCII编码的历史遗留软件可以在UTF-8编码下继续工作。

    搞清楚了ASCII、Unicode和UTF-8的关系,我们就可以总结一下现在计算机系统通用的字符编码工作方式:

    在计算机内存中,统一使用Unicode编码,当需要保存到硬盘或者需要传输的时候,就转换为UTF-8编码。

    用记事本编辑的时候,从文件读取的UTF-8字符被转换为Unicode字符到内存里,编辑完成后,保存的时候再把Unicode转换为UTF-8保存到文件:

    rw-file-utf-8

    浏览网页的时候,服务器会把动态生成的Unicode内容转换为UTF-8再传输到浏览器:

    web-utf-8

    所以你看到很多网页的源码上会有类似<meta charset="UTF-8" />的信息,表示该网页正是用的UTF-8编码。

    所以你看到很多网页的源码上会有类似<meta charset="UTF-8" />的信息,表示该网页正是用的UTF-8编码。

    由于Python的字符串类型是str,在内存中以Unicode表示,一个字符对应若干个字节。如果要在网络上传输,或者保存到磁盘上,就需要把str变为以字节为单位的bytes

    Python对bytes类型的数据用带b前缀的单引号或双引号表示:

    x = b'ABC'

    要注意区分'ABC'b'ABC',前者是str,后者虽然内容显示得和前者一样,但bytes的每个字符都只占用一个字节。

    以Unicode表示的str通过encode()方法可以编码为指定的bytes,例如:

    >>> 'ABC'.encode('ascii')
    b'ABC'
    >>> '中文'.encode('utf-8')
    b'xe4xb8xadxe6x96x87'
    >>> '中文'.encode('ascii')
    Traceback (most recent call last):
      File "<stdin>", line 1, in <module>
    UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128)

    纯英文的str可以用ASCII编码为bytes,内容是一样的,含有中文的str可以用UTF-8编码为bytes。含有中文的str无法用ASCII编码,因为中文编码的范围超过了ASCII编码的范围,Python会报错。

    bytes中,无法显示为ASCII字符的字节,用x##显示。

    反过来,如果我们从网络或磁盘上读取了字节流,那么读到的数据就是bytes。要把bytes变为str,就需要用decode()方法:

    >>> b'ABC'.decode('ascii')
    'ABC'
    >>> b'xe4xb8xadxe6x96x87'.decode('utf-8')
    '中文'

    要计算str包含多少个字符,可以用len()函数:

    >>> len('ABC')
    3
    >>> len('中文')
    2

    len()函数计算的是str的字符数,如果换成byteslen()函数就计算字节数:

    >>> len(b'ABC')
    3
    >>> len(b'xe4xb8xadxe6x96x87')
    6
    >>> len('中文'.encode('utf-8'))
    6

    可见,1个中文字符经过UTF-8编码后通常会占用3个字节,而1个英文字符只占用1个字节。

    在操作字符串时,我们经常遇到strbytes的互相转换。为了避免乱码问题,应当始终坚持使用UTF-8编码对strbytes进行转换。

    由于Python源代码也是一个文本文件,所以,当你的源代码中包含中文的时候,在保存源代码时,就需要务必指定保存为UTF-8编码。当Python解释器读取源代码时,为了让它按UTF-8编码读取,我们通常在文件开头写上这两行:

    #!/usr/bin/env python3
    # -*- coding: utf-8 -*-

    第一行注释是为了告诉Linux/OS X系统,这是一个Python可执行程序,Windows系统会忽略这个注释;

    第二行注释是为了告诉Python解释器,按照UTF-8编码读取源代码,否则,你在源代码中写的中文输出可能会有乱码。

    申明了UTF-8编码并不意味着你的.py文件就是UTF-8编码的,必须并且要确保文本编辑器正在使用UTF-8 without BOM编码:

    如果.py文件本身使用UTF-8编码,并且也申明了# -*- coding: utf-8 -*-,打开命令提示符测试就可以正常显示中文。

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