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一文解开java中字符串编码的小秘密

简介: 在本文中你将了解到Unicode和UTF-8,UTF-16,UTF-32的关系,同时你还会了解变种UTF-8,并且探讨一下UTF-8和变种UTF-8在java中的应用。

简介

在本文中你将了解到Unicode和UTF-8,UTF-16,UTF-32的关系,同时你还会了解变种UTF-8,并且探讨一下UTF-8和变种UTF-8在java中的应用。

一起来看看吧。

Unicode的发展史

在很久很久以前,西方世界出现了一种叫做计算机的高科技产品。

初代计算机只能做些简单的算数运算,还要使用人工打孔的程序才能运行,不过随着时间的推移,计算机的体积越来越小,计算能力越来越强,打孔已经不存在了,变成了人工编写的计算机语言。

一切都在变化,唯有一件事情没有变化。这件事件就是计算机和编程语言只流传在西方。而西方日常交流使用26个字母加有限的标点符号就够了。

最初的计算机存储可以是非常昂贵的,我们用一个字节也就是8bit来存储所有能够用到的字符,除了最开始的1bit不用以外,总共有128中选择,装26个小写+26个大写字母和其他的一些标点符号之类的完全够用了。

这就是最初的ASCII编码,也叫做美国信息交换标准代码(American Standard Code for Information Interchange)。

后面计算机传到了全球,人们才发现好像之前的ASCII编码不够用了,比如中文中常用的汉字就有4千多个,怎么办呢?

没关系,将ASCII编码本地化,叫做ANSI编码。1个字节不够用就用2个字节嘛,路是人走出来的,编码也是为人来服务的。于是产生了各种如GB2312, BIG5, JIS等各自的编码标准。这些编码虽然与ASCII编码兼容,但是相互之间却并不兼容。

这严重的影响了国际化的进程,这样还怎么去实现同一个地球,同一片家园的梦想?

于是国际组织出手了,制定了UNICODE字符集,为所有语言的所有字符都定义了一个唯一的编码,unicode的字符集是从U+0000到U+10FFFF这么多个编码。

那么unicode和UTF-8,UTF-16,UTF-32有什么关系呢?

unicode字符集最后是要存储到文件或者内存里面的,直接存储的话,空间占用太大。那怎么存呢?使用固定的1个字节,2个字节还是用变长的字节呢?于是我们根据编码方式的不同,分成了UTF-8,UTF-16,UTF-32等多种编码方式。

其中UTF-8是一种变长的编码方案,它使用1-4个字节来存储。UTF-16使用2个或者4个字节来存储,JDK9之后的String的底层编码方式变成了两种:LATIN1和UTF16。

而UTF-32是使用4个字节来存储。这三种编码方式中,只有UTF-8是兼容ASCII的,这也是为什么国际上UTF-8编码方式比较通用的原因(毕竟计算机技术都是西方人搞出来的)。

Unicode详解

知道了Unicode的发展史之后,接下来我们详解讲解一下Unicode到底是怎么编码的。

Unicode标准从1991年发布1.0版本,已经发展到2020年3月最新的13.0版本。

Unicode能够表示的字符串范围是0到10FFFF,表示为U+0000到U+10FFFF。

其中U+D800到U+DFFF的这些字符是预留给UTF-16使用的,所以Unicode的实际表示字符个数是216 − 211 + 220 = 1,112,064个。

我们将Unicode的这些字符集分成17个平面,各个平面的分布图如下:

以Plan 0为例,Basic Multilingual Plane (BMP)基本上包含了大部分常用的字符,下图展示了BMP中所表示的对应字符:

上面我们提到了U+D800到U+DFFF是UTF-16的保留字符。其中高位U+D800–U+DBFF和低位U+DC00–U+DFFF是作为一对16bits来对非BMP的字符进行UTF-16编码。单独的一个16bits是无意义的。

UTF-8

UTF-8是用1到4个字节来表示所有的1,112,064个Unicode字符。所以UTF-8是一种变长的编码方式。

UTF-8目前是Web中最常见的编码方式,我们看下UTF-8怎么对Unicode进行编码:

最开始的1个字节可以表示128个ASCII字符,所以UTF-8是和ASCII兼容的。

接下来的1,920个字符需要两个字节进行编码,涵盖了几乎所有拉丁字母字母表的其余部分,以及希腊语,西里尔字母,科普特语,亚美尼亚语,希伯来语,阿拉伯语,叙利亚语,Thaana和N'Ko字母,以及组合变音符号标记。BMP中的其余部分中的字符需要三个字节,其中几乎包含了所有常用字符,包括大多数中文,日文和韩文字符。Unicode中其他平面中的字符需要四个字节,其中包括不太常见的CJK字符,各种历史脚本,数学符号和表情符号(象形符号)。

下面是一个具体的UTF-8编码的例子:

UTF-16

UTF-16也是一种变长的编码方式,UTF-16使用的是1个到2个16bits来表示相应的字符。

UTF-16主要在Microsoft Windows, Java 和 JavaScript/ECMAScript内部使用。

不过UTF-16在web上的使用率并不高。

接下来,我们看一下UTF-16到底是怎么进行编码的。

首先:U+0000 to U+D7FF 和 U+E000 to U+FFFF,这个范围的字符,直接是用1个16bits来表示的,非常的直观。

接着是:U+010000 to U+10FFFF

这个范围的字符,首先减去0x10000,变成20bits表示的0x00000–0xFFFFF。

然后高10bits位的0x000–0x3FF加上0xD800,变成了0xD800–0xDBFF,使用1个16bits来表示。

低10bits的0x000–0x3FF加上0xDC00,变成了0xDC00–0xDFFF,使用1个16bits来表示。

U' = yyyyyyyyyyxxxxxxxxxx  // U - 0x10000
W1 = 110110yyyyyyyyyy      // 0xD800 + yyyyyyyyyy
W2 = 110111xxxxxxxxxx      // 0xDC00 + xxxxxxxxxx

这也是为什么在Unicode中0xD800–0xDFFF是UTF-16保留字符的原因。

下面是一个UTF-16编码的例子:

UTF-32

UTF-32是固定长度的编码,每一个字符都需要使用1个32bits来表示。

因为是32bits,所以UTF-32可以直接用来表示Unicode字符,缺点就是UTF-32占用的空间太大,所以一般来说很少有系统使用UTF-32.

Null-terminated string 和变种UTF-8

在C语言中,一个string是以null character ('0')NUL结束的。

所以在这种字符中,0x00是不能存储在String中间的。那么如果我们真的想要存储0x00该怎么办呢?

我们可以使用变种UTF-8编码。

在变种UTF-8中,null character (U+0000) 是使用两个字节的:11000000 10000000 来表示的。

所以变种UTF-8可以表示所有的Unicode字符,包括null character U+0000。

通常来说,在java中,InputStreamReader 和 OutputStreamWriter 默认使用的是标准的UTF-8编码,但是在对象序列化和DataInput,DataOutput,JNI和class文件中的字符串常量都是使用的变种UTF-8来表示的。

本文已收录于 http://www.flydean.com/java-string-encodings/

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