浅谈Java中Unicode的编码和实现

Unicode的编码和实现

大概来说，Unicode编码系统可分为编码方式和实现方式两个层次。

编码方式

字符是抽象的最小文本单位。它没有固定的形状（可能是一个字形），而且没有值。“A”是一个字符，“€”也是一个字符。字符集是字符的集合。编码字符集是一个字符集，它为每一个字符分配一个唯一数字。

Unicode 最初设计是作为一种固定宽度的 16 位字符编码。也就是每个字符占用2个字节。这样理论上一共最多可以表示216（即65536）个字符。上述16位统一码字符构成基本多文种平面。基本多文种平面的字符的编码为U+hhhh，其中每个h代表一个十六进制数字。

很明显，16 位编码的所有 65，536 个字符并不能完全表示全世界所有正在使用或曾经使用的字符。于是，Unicode 标准已扩展到包含多达 1，112，064 个字符。那些超出原来的 16 位限制的字符被称作增补字符。Unicode 标准 2.0 版是第一个包含

启用增补字符设计的版本，但是，直到 3.1 版才收入第一批增补字符集。

Unicode字符平面映射

目前的Unicode字元分为17组编排，每组称为平面（Plane），而每平面拥有65536（即216）个代码点。然而目前只用了少数平面。

增补字符是代码点在 U+10000 至 U+10FFFF 范围之间的字符（上述表格中1号平面~16号平面之间的），也就是那些使用原始的 Unicode 的 16 位设计无法表示的字符。从 U+0000 至 U+FFFF 之间的字符集有时候被称为基本多语言面 （BMP）。因此，每一个 Unicode 字符要么属于 BMP，要么属于增补字符。

实现方式

UTF-32、UTF-16 和 UTF-8 是具体的实现方案。Unicode的实现方式不同于编码方式。一个字符的Unicode编码是确定的。但是在实际传输过程中，由于不同系统平台的设计不一定一致，以及出于节省空间的目的，对Unicode编码的实现方式有所不同。Unicode的实现方式称为Unicode转换格式（Unicode Transformation Format，简称为UTF）。

例如，如果一个仅包含基本7位ASCII字符的Unicode文件，如果每个字符都使用2字节的原Unicode编码传输，其第一字节的8位始终为0。这就造成了比较大的浪费。对于这种情况，可以使用UTF-8编码，这是一种变长编码，它将基本7位ASCII字符仍用7位编码表示，占用一个字节（首位补0）。而遇到与其他Unicode字符混合的情况，将按一定算法转换，每个字符使用1-3个字节编码，并利用首位为0或1进行识别。这样对以7位ASCII字符为主的西文文档就大幅节省了编码长度（具体方案参见UTF-8）。类似的，对未来会出现的需要4个字节的辅助平面字符和其他UCS-4扩充字符，2字节编码的UTF-16也需要通过一定的算法进行转换。

再如，如果直接使用与Unicode编码一致（仅限于BMP字符）的UTF-16编码，由于每个字符占用了两个字节，在麦金塔电脑（Mac）机和个人电脑上，对字节顺序的理解是不一致的。这时同一字节流可能会被解释为不同内容，如某字符为十六进制编码4E59，按两个字节拆分为4E和59，在Mac上读取时是从低字节开始，那么在Mac OS会认为此4E59编码为594E，找到的字符为“奎”，而在Windows上从高字节开始读取，则编码为U+4E59的字符为“乙”。就是说在Windows下以UTF-16编码保存一个字符“乙”，在Mac OS环境下打开会显示成“奎”。此类情况说明UTF-16的编码顺序若不加以人为定义就可能发生混淆，于是在UTF-16编码实现方式中使用了大端序（Big-Endian，简写为UTF-16 BE）、小端序（Little-Endian，简写为UTF-16 LE）的概念，以及可附加的字节顺序记号解决方案，目前在PC机上的Windows系统和Linux系统对于UTF-16编码默认使用UTF-16 LE。（具体方案参见UTF-16）

此外Unicode的实现方式还包括UTF-7、Punycode、CESU-8、SCSU、UTF-32、GB18030等，这些实现方式有些仅在一定的国家和地区使用，有些则属于未来的规划方式。目前通用的实现方式是UTF-16小端序（LE）、UTF-16大端序（BE）和UTF-8。在微软公司Windows XP附带的记事本（Notepad）中，“另存为”对话框可以选择的四种编码方式除去非Unicode编码的ANSI（对于英文系统即ASCII编码，中文系统则为GB2312或Big5编码）外，其余三种为“Unicode”（对应UTF-16 LE）、“Unicode big endian”（对应UTF-16 BE）和“UTF-8”。

代码点、码位

在字符编码术语中，码位或称编码位置，即英文的code point或code position，是组成码空间（或代码页）的数值。 例如，ASCII码包含128个码位，范围是016进制到7F16进制，扩展ASCII码包含256个码位，范围是016进制到FF16进制，而Unicode包含1,114,112个码位，范围是016进制到10FFFF16进制。Unicode码空间划分为17个Unicode字符平面（基本多文种平面，16个辅助平面），每个平面有65,536（= 216）个码位。因此Unicode码空间总计是17 × 65,536 = 1,114,112.

代码单元、码元

码元（Code Unit，也称“代码单元”）是指一个已编码的文本中具有最短的比特组合的单元。对于UTF-8来说，码元是8比特长；对于UTF-16来说，码元是16比特长；对于UTF-32来说，码元是32比特长。码值（Code Value）是过时的用法。
明白了上述两个概念，我们就可以认为UTF-N（N为8,16,32）干的事就是把Unicode字符集的抽象码位映射为N位长的整数（即码元）的序列，用于数据存储或传递。

UTF-32 即将每一个 Unicode 代码点表示为相同值的 32 位整数。很明显，它是内部处理最方便的表达方式，但是，如果作为一般字符串表达方式，则要消耗更多的内存。

UTF-16 使用一个或两个未分配的 16 位代码单元的序列对 Unicode 代码点进行编码。值 U+0000 至 U+FFFF 编码为一个相同值的 16 位单元。增补字符编码为两个代码单元，第一个单元来自于高代理范围（U+D800 至 U+DBFF），第二个单元来自于低代理范围（U+DC00 至 U+DFFF）。这在概念上可能看起来类似于多字节编码，但是其中有一个重要区别：值 U+D800 至 U+DFFF 保留用于 UTF-16；没有这些值分配字符作为代码点。这意味着，对于一个字符串中的每个单独的代码单元，软件可以识别是否该代码单元表示某个单单元字符，或者是否该代码单元是某个双单元字符的第一个或第二单元。这相当于某些传统的多字节字符编码来说是一个显著的改进，在传统的多字节字符编码中，字节值 0x41 既可能表示字母“A”，也可能是一个双字节字符的第二个字节。

UTF-8 使用一至四个字节的序列对编码 Unicode 代码点进行编码。U+0000 至 U+007F 使用一个字节编码，U+0080 至 U+07FF 使用两个字节，U+0800 至 U+FFFF 使用三个字节，而 U+10000 至 U+10FFFF 使用四个字节。UTF-8 设计原理为：字节值 0x00 至 0x7F 始终表示代码点 U+0000 至 U+007F（Basic Latin 字符子集，它对应 ASCII 字符集）。这些字节值永远不会表示其他代码点，这一特性使 UTF-8 可以很方便地在软件中将特殊的含义赋予某些 ASCII 字符。

下表所示为几个字符不同表达方式的比较：

注：上述编码中的数字均是十六进制表示的。

总结

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