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字符，字节和编码

2023-05-16

级别：初级

摘要：本文介绍了字符与编码的发展过程，相关概念的正确理解。举例说明了一些实际应用中，编码的实现方法。然后，本文讲述了通常对字符与编码的几种误解，由于这些误解而导致乱码产生的原因，以及消除乱码的办法。本文的内容涵盖了“中文问题”，“乱码问题”。

引言

“字符与编码”是一个被经常讨论的话题。即使这样，时常出现的乱码仍然困扰着大家。虽然我们有很多的办法可以用来消除乱码，但我们并不一定理解这些办法的内在原理。而有的乱码产生的原因，实际上由于底层代码本身有问题所导致的。因此，不仅是初学者会对字符编码感到模糊，有的底层开发人员同样对字符编码缺乏准确的理解。

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1. 编码问题的由来，相关概念的理解

1.1 字符与编码的发展

从计算机对多国语言的支持角度看，大致可以分为三个阶段：

　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

字符串在内存中的存放方法：

在 ASCII 阶段，单字节字符串使用一个字节存放一个字符（SBCS）。比如，"Bob123" 在内存中为：

426F6231323300
Bob123/0

在使用 ANSI 编码支持多种语言阶段，每个字符使用一个字节或多个字节来表示（MBCS），因此，这种方式存放的字符也被称作多字节字符。比如，"中文123" 在中文 Windows 95 内存中为7个字节，每个汉字占2个字节，每个英文和数字字符占1个字节：

D6D0CEC431323300
中文123/0

在 UNICODE 被采用之后，计算机存放字符串时，改为存放每个字符在 UNICODE 字符集中的序号。目前计算机一般使用 2 个字节（16 位）来存放一个序号（DBCS），因此，这种方式存放的字符也被称作宽字节字符。比如，字符串 "中文123" 在 Windows 2000 下，内存中实际存放的是 5 个序号：

2D4E87653100320033000000     ← 在 x86 CPU 中，低字节在前
中文123/0　

一共占 10 个字节。

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1.2 字符，字节，字符串

理解编码的关键，是要把字符的概念和字节的概念理解准确。这两个概念容易混淆，我们在此做一下区分：

　概念描述举例
字符人们使用的记号，抽象意义上的一个符号。'1', '中', 'a', '$', '￥', ……
字节计算机中存储数据的单元，一个8位的二进制数，是一个很具体的存储空间。0x01, 0x45, 0xFA, ……
ANSI
字符串		在内存中，如果“字符”是以 ANSI 编码形式存在的，一个字符可能使用一个字节或多个字节来表示，那么我们称这种字符串为 ANSI 字符串或者多字节字符串。"中文123"
（占7字节）
UNICODE
字符串		在内存中，如果“字符”是以在 UNICODE 中的序号存在的，那么我们称这种字符串为 UNICODE 字符串或者宽字节字符串。L"中文123"
（占10字节）

由于不同 ANSI 编码所规定的标准是不相同的，因此，对于一个给定的多字节字符串，我们必须知道它采用的是哪一种编码规则，才能够知道它包含了哪些“字符”。而对于 UNICODE 字符串来说，不管在什么环境下，它所代表的“字符”内容总是不变的。

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1.3 字符集与编码

各个国家和地区所制定的不同 ANSI 编码标准中，都只规定了各自语言所需的“字符”。比如：汉字标准（GB2312）中没有规定韩国语字符怎样存储。这些 ANSI 编码标准所规定的内容包含两层含义：

  1. 使用哪些字符。也就是说哪些汉字，字母和符号会被收入标准中。所包含“字符”的集合就叫做“字符集”。
  2. 规定每个“字符”分别用一个字节还是多个字节存储，用哪些字节来存储，这个规定就叫做“编码”。

各个国家和地区在制定编码标准的时候，“字符的集合”和“编码”一般都是同时制定的。因此，平常我们所说的“字符集”，比如：GB2312, GBK, JIS 等，除了有“字符的集合”这层含义外，同时也包含了“编码”的含义。

“UNICODE 字符集”包含了各种语言中使用到的所有“字符”。用来给 UNICODE 字符集编码的标准有很多种，比如：UTF-8, UTF-7, UTF-16, UnicodeLittle, UnicodeBig 等。

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2. 字符与编码在程序中的实现

2.1 程序中的字符与字节

在 C++ 和 Java 中，用来代表“字符”和“字节”的数据类型，以及进行编码的方法：

类型或操作C++Java
字符wchar_tchar *
字节charbyte
ANSI 字符串char[]byte[]
UNICODE 字符串wchar_t[]String
字节串→字符串mbstowcs(), MultiByteToWideChar() *string = new String(bytes, "encoding")
字符串→字节串wcstombs(), WideCharToMultiByte()bytes = string.getBytes("encoding")

以上需要注意几点：

  1. Java 中的 char 代表一个“UNICODE 字符（宽字节字符）”，而 C++ 中的 char 代表一个字节。
  2. MultiByteToWideChar() 和 WideCharToMultiByte() 是 Windows API 函数。

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2.2 C++ 中相关实现方法

声明一段字符串常量：

// ANSI 字符串，内容长度 7 字节
char     sz[20] = "中文123";

// UNICODE 字符串，内容长度 5 个 wchar_t（10 字节）
wchar_t wsz[20] = L"/x4E2D/x6587/x0031/x0032/x0033";

UNICODE 字符串的 I/O 操作，字符与字节的转换操作：

// 运行时设定当前 ANSI 编码，VC 格式
setlocale(LC_ALL, ".936");

// GCC 中格式
setlocale(LC_ALL, "zh_CN.GBK");

// Visual C++ 中使用小写 %s，按照 setlocale 指定编码输出到文件
// GCC 中使用大写 %S
fwprintf(fp, L"%s/n", wsz);

// 把 UNICODE 字符串按照 setlocale 指定的编码转换成字节
wcstombs(sz, wsz, 20);
// 把字节串按照 setlocale 指定的编码转换成 UNICODE 字符串
mbstowcs(wsz, sz, 20);

在 Visual C++ 中，UNICODE 字符串常量有更简单的表示方法。如果源程序的编码与当前默认 ANSI 编码不符，则需要使用 #pragma setlocale，告诉编译器源程序使用的编码：

// 如果源程序的编码与当前默认 ANSI 编码不一致，
// 则需要此行，编译时用来指明当前源程序使用的编码
#pragma setlocale(".936")

// UNICODE 字符串常量，内容长度 10 字节
wchar_t wsz[20] = L"中文123";

以上需要注意 #pragma setlocale 与 setlocale(LC_ALL, "") 的作用是不同的，#pragma setlocale 在编译时起作用，setlocale() 在运行时起作用。

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2.3 Java 中相关实现方法

字符串类 String 中的内容是 UNICODE 字符串：

// Java 代码，直接写中文
String string = "中文123";

// 得到长度为 5，因为是 5 个字符
System.out.println(string.length());

字符串 I/O 操作，字符与字节转换操作。在 Java 包 java.io.* 中，以“Stream”结尾的类一般是用来操作“字节串”的类，以“Reader”，“Writer”结尾的类一般是用来操作“字符串”的类。

// 字符串与字节串间相互转化

// 按照 GB2312 得到字节（得到多字节字符串）
byte [] bytes = string.getBytes("GB2312");

// 从字节按照 GB2312 得到 UNICODE 字符串
string = new String(bytes, "GB2312");

// 要将 String 按照某种编码写入文本文件，有两种方法：

// 第一种办法：用 Stream 类写入已经按照指定编码转化好的字节串
OutputStream os = new FileOutputStream("1.txt");
os.write(bytes);
os.close();

// 第二种办法：构造指定编码的 Writer 来写入字符串
Writer ow = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("2.txt"), "GB2312");
ow.write(string);
ow.close();

/* 最后得到的 1.txt 和 2.txt 都是 7 个字节 */

如果 java 的源程序编码与当前默认 ANSI 编码不符，则在编译的时候，需要指明一下源程序的编码。比如：

E:/>javac -encoding BIG5 Hello.java

以上需要注意区分源程序的编码与 I/O 操作的编码，前者是在编译时起作用，后者是在运行时起作用。

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3. 几种误解，以及乱码产生的原因和解决办法

3.1 容易产生的误解
　对编码的误解
误解一在将“字节串”转化成“UNICODE 字符串”时，比如在读取文本文件时，或者通过网络传输文本时，容易将“字节串”简单地作为单字节字符串，采用每“一个字节”就是“一个字符”的方法进行转化。

而实际上，在非英文的环境中，应该将“字节串”作为 ANSI 字符串，采用适当的编码来得到 UNICODE 字符串，有可能“多个字节”才能得到“一个字符”。

通常，一直在英文环境下做开发的程序员们，容易有这种误解。
误解二在 DOS，Windows 98 等非 UNICODE 环境下，字符串都是以 ANSI 编码的字节形式存在的。这种以字节形式存在的字符串，必须知道是哪种编码才能被正确地使用。这使我们形成了一个惯性思维：“字符串的编码”。

当 UNICODE 被支持后，Java 中的 String 是以字符的“序号”来存储的，不是以“某种编码的字节”来存储的，因此已经不存在“字符串的编码”这个概念了。只有在“字符串”与“字节串”转化时，或者，将一个“字节串”当成一个 ANSI 字符串时，才有编码的概念。

不少的人都有这个误解。

第一种误解，往往是导致乱码产生的原因。第二种误解，往往导致本来容易纠正的乱码问题变得更复杂。

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3.2 常用的编码简介

简单介绍一下常用的编码规则，为后边的章节做一个准备。在这里，我们根据编码规则的特点，把所有的编码分成三类：

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 "ÖÐ"。

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。

在这里，我们可以看到，前面所讲的“误解一”，即采用每“一个字节”就是“一个字符”的转化方法，实际上也就等同于采用 iso-8859-1 进行转化。因此，我们常常使用 bytes = string.getBytes("iso-8859-1") 来进行逆向操作，得到原始的“字节串”。然后再使用正确的 ANSI 编码，比如 string = new String(bytes, "GB2312")，来得到正确的“UNICODE 字符串”。

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3.3 非 UNICODE 程序在不同语言环境间移植时的乱码

非 UNICODE 程序中的字符串，都是以某种 ANSI 编码形式存在的。如果程序运行时的语言环境与开发时的语言环境不同，将会导致 ANSI 字符串的显示失败。

比如，在日文环境下开发的非 UNICODE 的日文程序界面，拿到中文环境下运行时，界面上将显示乱码。如果这个日文程序界面改为采用 UNICODE 来记录字符串，那么当在中文环境下运行时，界面上将可以显示正常的日文。

由于客观原因，有时候我们必须在中文操作系统下运行非 UNICODE 的日文软件，这时我们可以采用一些工具，比如，南极星，AppLocale 等，暂时的模拟不同的语言环境。

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3.4 网页提交字符串

当页面中的表单提交字符串时，首先把字符串按照当前页面的编码，转化成字节串。然后再将每个字节转化成 "%XX" 的格式提交到 Web 服务器。比如，一个编码为 GB2312 的页面，提交 "中" 这个字符串时，提交给服务器的内容为 "%D6%D0"。

在服务器端，Web 服务器把收到的 "%D6%D0" 转化成 [0xD6, 0xD0] 两个字节，然后再根据 GB2312 编码规则得到 "中" 字。

在 Tomcat 服务器中，request.getParameter() 得到乱码时，常常是因为前面提到的“误解一”造成的。默认情况下，当提交 "%D6%D0" 给 Tomcat 服务器时，request.getParameter() 将返回 [0x00D6, 0x00D0] 两个 UNICODE 字符，而不是返回一个 "中" 字符。因此，我们需要使用 bytes = string.getBytes("iso-8859-1") 得到原始的字节串，再用 string = new String(bytes, "GB2312") 重新得到正确的字符串 "中"。

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3.5 从数据库读取字符串

通过数据库客户端（比如 ODBC 或 JDBC）从数据库服务器中读取字符串时，客户端需要从服务器获知所使用的 ANSI 编码。当数据库服务器发送字节流给客户端时，客户端负责将字节流按照正确的编码转化成 UNICODE 字符串。

如果从数据库读取字符串时得到乱码，而数据库中存放的数据又是正确的，那么往往还是因为前面提到的“误解一”造成的。解决的办法还是通过 string = new String( string.getBytes("iso-8859-1"), "GB2312") 的方法，重新得到原始的字节串，再重新使用正确的编码转化成字符串。

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3.6 电子邮件中的字符串

当一段 Text 或者 HTML 通过电子邮件传送时，发送的内容首先通过一种指定的字符编码转化成“字节串”，然后再把“字节串”通过一种指定的传输编码（Content-Transfer-Encoding）进行转化得到另一串“字节串”。比如，打开一封电子邮件源代码，可以看到类似的内容：

Content-Type: text/plain;
        charset="gb2312"
Content-Transfer-Encoding: base64

sbG+qcrQuqO17cf4yee74bGjz9W7+b3wudzA7dbQ0MQNCg0KvPKzxqO6uqO17cnnsaPW0NDEDQoNCg==

最常用的 Content-Transfer-Encoding 有 Base64 和 Quoted-Printable 两种。在对二进制文件或者中文文本进行转化时，Base64 得到的“字节串”比 Quoted-Printable 更短。在对英文文本进行转化时，Quoted-Printable 得到的“字节串”比 Base64 更短。

邮件的标题，用了一种更简短的格式来标注“字符编码”和“传输编码”。比如，标题内容为 "中"，则在邮件源代码中表示为：

// 正确的标题格式
Subject: =?GB2312?B?1tA=?=

其中，

  • 第一个“=?”与“?”中间的部分指定了字符编码，在这个例子中指定的是 GB2312。
  • “?”与“?”中间的“B”代表 Base64。如果是“Q”则代表 Quoted-Printable。
  • 最后“?”与“?=”之间的部分，就是经过 GB2312 转化成字节串，再经过 Base64 转化后的标题内容。

如果“传输编码”改为 Quoted-Printable，同样，如果标题内容为 "中"：

// 正确的标题格式
Subject: =?GB2312?Q?=D6=D0?=

如果阅读邮件时出现乱码，一般是因为“字符编码”或“传输编码”指定有误，或者是没有指定。比如，有的发邮件组件在发送邮件时，标题 "中"：

// 错误的标题格式
Subject: =?ISO-8859-1?Q?=D6=D0?=

这样的表示，实际上是明确指明了标题为 [0x00D6, 0x00D0]，即 "ÖÐ"，而不是 "中"。

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4. 几种错误理解的纠正

误解：“ISO-8859-1 是国际编码？”

非也。iso-8859-1 只是单字节字符集中最简单的一种，也就是“字节编号”与“UNICODE 字符编号”一致的那种编码规则。当我们要把一个“字节串”转化成“字符串”，而又不知道它是哪一种 ANSI 编码时，先暂时地把“每一个字节”作为“一个字符”进行转化，不会造成信息丢失。然后再使用 bytes = string.getBytes("iso-8859-1") 的方法可恢复到原始的字节串。

误解：“Java 中，怎样知道某个字符串的内码？”

Java 中，字符串类 java.lang.String 处理的是 UNICODE 字符串，不是 ANSI 字符串。我们只需要把字符串作为“抽象的符号的串”来看待。因此不存在字符串的内码的问题。

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