Unicode详解

字符编码的问题，每个程序员都会遇到，深入探索其背后的原理和机制，能让我们少走很多弯路。

1、历史简述

Unicode（万国码、国际码、统一码、单一码）是计算机科学领域里的一项业界标准。它对世界上大部分的文字系统进行了整理、编码，使得电脑可以用更为简单的方式来呈现和处理文字。
Unicode发展由非营利机构统一码联盟负责，该机构致力于让Unicode方案替换既有的字符编码方案。因为既有的方案往往空间非常有限，亦不适用于多语环境。
统一码联盟在1991年首次发布了The Unicode Standard。
在2005年，Unicode的第十万个字元被引入成为标准之一，该字元被用于马拉雅拉姆语。

2、编码方式

目前实际应用的统一码版本对应于UCS-2，使用16位的编码空间。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2的16次（即65536）个字符。基本满足各种语言的使用。实际上当前版本的统一码并未完全使用这16位编码，而是保留了大量空间以作为特殊使用或将来扩展。
最新（但未实际广泛使用）的统一码版本定义了16个辅助平面，两者合起来至少需要占据21位的编码空间，比3字节略少。但事实上辅助平面字符仍然占用4字节编码空间，与UCS-4保持一致。未来版本会涵盖UCS-4的所有字符。UCS-4是一个更大的尚未填充完全的31位字符集，加上恒为0的首位，共需占据32位，即4字节。理论上最多能表示2的31次方个字符，完全可以涵盖一切语言所用的符号。

3、UCS

通用字符集（Universal Character Set）是由ISO制定的ISO 10646（或称ISO/IEC 10646）标准所定义的标准字符集。
通用字符集包括了其他所有字符集。它保证了与其他字符集的双向兼容，即，如果你将任何文本字符串翻译到UCS格式，然后再翻译回原编码，你不会丢失任何信息。
UCS包含了已知语言的所有字符。除了拉丁语、希腊语、斯拉夫语、希伯来语、阿拉伯语、亚美尼亚语、格鲁吉亚语，还包括中文、日文、韩文这样的方块文字，UCS还包括大量的图形、印刷、数学、科学符号。
ISO/IEC 10646定义了一个31位的字符集。
并不是所有的系统都需要支持像组合字符这样的的先进机制。因此ISO 10646指定了如下三种实现级别：

• 级别1：不支持组合字符和谚文字母字符。
• 级别2：类似于级别1，但在某些文字中，允许一列固定的组合字符，因为如果没有最起码的几个组合字符，UCS就不能完整地表达这些语言。
• 级别3：支持所有的通用字符集字符，如，可以在任意一个字符上加上一个箭头或一个鼻音化符号.

历史上存在两个独立的尝试创立单一字符集的组织，即：
1、国际标准化组织（ISO）于1984年创建的ISO/IEC
2、统一码联盟
统一码联盟和ISO/IEC都同意保持两者标准的码表兼容，并紧密地共同调整任何未来的扩展。

4、实现方式

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）。
前面说到，Unicode采用2个字节来编码文件，但是如果一个仅包含7位ASCII字符的Unicode文件，每个字符使用2字节就浪费了一般的存储空间，其第一字节的8位始终为0，这是难以忍受。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。
问题来了，UTF-8变长编码格式的出现是为了节省存储空间，变长导致了UTF-8的兼容性相应降低。
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。
也就是说，UTF-16是为未来准备的变长编码格式。
还有就是，在Mac和普通PC上，对于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。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。
在Windows XP附带的记事本，“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外，其余三种为“Unicode”（对应UTF-16 LE）、“Unicode big endian”（对应UTF-16 BE）和“UTF-8”。

5、UTF-8

UTF-8，是我们最经常看到的编码格式之一。前面已经简单介绍过，这是一种变长编码格式，变长的目的是节省存储空间。
UTF-8使用一至六个字节为每个字符编码（2003年11月UTF-8被RFC 3629重新规范，只能使用原来Unicode定义的区域，U+0000到U+10FFFF，也就是说最多四个字节）。
下面介绍其编码规则：
1、128个US-ASCII字符只需一个字节编码（Unicode范围由U+0000至U+007F）。
2、带有附加符号的拉丁文、希腊文、西里尔字母、亚美尼亚语、希伯来文、阿拉伯文等则需要两个字节编码（Unicode范围由U+0080至U+07FF）。
3、其他基本多文种平面（BMP）中的字元（这包含了大部分常用字，如大部分的汉字）使用三个字节编码（Unicode范围由U+0800至U+FFFF）。
4、其他极少使用的Unicode 辅助平面的字元使用四至六字节编码。（Unicode范围由U+10000至U+1FFFFF使用四字节，Unicode范围由U+200000至U+3FFFFFF使用五字节，Unicode范围由U+4000000至U+7FFFFFFF使用六字节）。
对上述提及的第四种字元而言，UTF-8使用四至六个字节来编码似乎太耗费资源了。但UTF-8对所有常用的字元都可以用三个字节表示，而且它的另一种选择，UTF-16编码，对前述的第四种字符同样需要四个字节来编码，所以要决定UTF-8或UTF-16哪种编码比较有效率，还要视所使用的字元的分布范围而定。
下面来看看UTF-8具体怎么编码各种类型的字符：
1、单字节编码，字节由零开始：0zzzzzzz。（z取值0或1，下同）
2、两字节编码：（110yyyyy 10zzzzzz）第一个字节由110开始，接着的字节由10开始
3、三字节编码：（01110xxxx10yyyyyy 10zzzzzz）第一个字节由1110开始，接着的字节由10开始。
4、四字节编码：（11110www 10xxxxxx 10yyyyyy 10zzzzzz）将由11110开始，接着的字节由10开始

Unicode和UTF-8之间的转换关系表

6、UTF-16

UTF-16是Unicode字符编码五层次模型的第三层：字符编码表。即把Unicode字符集的抽象码位映射为16位长的整数，用于数据存储或传递。Unicode字符的码位，需要1个或者2个16位长的码元来表示，因此这是一个变长表示。
Unicode的编码空间从U+0000到+10FFFF，共有1,112,064个码位（code point）可用来映射字符. Unicode的编码空间可以划分为17个平面（plane），每个平面包含216（65,536）个码位。17个平面的码位可表示为从U+xx0000到U+xxFFFF,其中xx表示十六进制值从0016到1016，共计17个平面。第一个平面称为基本多语言平面（Basic Multilingual Plane, BMP），或称第零平面（Plane 0）。其他平面称为辅助平面（Supplementary Planes）。基本多语言平面内，从U+D800到U+DFFF之间的码位区段是永久保留不映射到Unicode字符。UTF-16就利用保留下来的0xD800-0xDFFF区段的码位来对辅助平面的字符的码位进行编码。
分平面来介绍UTF-16的实现方式：
1、第一个Unicode平面（码位从U+0000至U+FFFF）包含了最常用的字符。该平面被称为基本多语言平面，缩写为BMP（Basic Multilingual Plane, BMP）。UTF-16与UCS-2编码这个范围内的码位为16比特长的单个码元，数值等价于对应的码位. BMP中的这些码位是仅有的可以在UCS-2中表示的码位.
2、辅助平面（Supplementary Planes）中的码位，在UTF-16中被编码为一对16比特长的码元（即32bit,4Bytes），称作代理对(surrogate pair),具体方法是：

• 码位减去0x10000,得到的值的范围为20比特长的0..0xFFFFF.
• 高位的10比特的值（值的范围为0..0x3FF）被加上0xD800得到第一个码元或称作高位代理。
• 低位的10比特的值（值的范围也是0..0x3FF）被加上0xDC00得到第二个码元或称作低位代理（low surrogate），现在值的范围是0xDC00..0xDFFF.

算法可理解为：辅助平面中的码位从U+10000到U+10FFFF，共计FFFFF个，即220
=1,048,576个，需要20位来表示。如果用两个16位长的整数组成的序列来表示，第一个整数（称为前导代理）要容纳上述20位的前10位，第二个整数（称为后尾代理）容纳上述20位的后10位。还要能根据16位整数的值直接判明属于前导整数代理的值的范围（210=1024)，还是后尾整数代理的值的范围（也是210
=1024）。因此，需要在基本多语言平面中保留不对应于Unicode字符的2048个码位，就足以容纳前导代理与后尾代理所需要的编码空间。这对于基本多语言平面总计65536个码位来说，仅占3.125%.
3、Unicode标准规定U+D800..U+DFFF的值不对应于任何字符.

Unicode与UTF-16对应图

7、平面

nicode的编码范围为U+0000 ~ U+10FFFF，一共包含216∗17=1114112216∗17=1114112个码位。
整个编码空间划分为17个平面（plane），每个平面包含216=65536216=65536个码位（codepoint）。
其中0号空间叫做基本多文种平面（Basic Multilingual Plane, BMP），其他平面叫做补充平面（supplementary planes）。

平面的概念来源于UTF-16的编码，双字符能编码16个平面216∗16=210∗210=220=1048576216∗16=210∗210=220=1048576个码位，加上单字符BMP平面，一共17个平面。详细我们会在UTF-16的章节进行说明。

各平面的分布如下：

各平面作用

Plane 0
第0平面，BMP包含了几乎所有现代语言的常用字符和大量的符号。具体分布可以查看 百度百科

# 代理Surrogates U+D800 ~ U+DFFF
除了文字和符号外，在BMP中2048个码位被保留作为代理（Surrogates）
高代理（High Surrogates） U+D800 ~ U+DBFF
低代理（Low Surrogate） U+DC00 ~ U+DFFF
他们在UTF-16对非BMP字符进行编码的时候成对出现，用来对码位超过65536的字符进行编码。

# 变量选择器Variation_Selectors U+FE00 ~ U+FE0F
BMP中包含16个变量选择器。目的是用来指明特定字符的选择类型。如：
VS12(U+FE0E)标明该Emoji是白种人形态
VS13(U+FE0E)标明该Emoji是黄种人形态
VS14(U+FE0E)标明该Emoji是黑种人形态
VS15(U+FE0E)标明该文字是文字
VS16(U+FE0F)标明该文字是Emoji

Plane 1
第1平面，多文种补充平面。包含古文字，专用文字，符号和特定领域用的标记。
古文字诸如埃及象形文字，楔形文字等，现代音乐标记，Emoji表情等都属于这个平面的范畴

Plane 2
第2平面，表意文字补充平面。主要对CJK的字符进行补充

Plane 3 ~ Plane13
暂时还没有分配任何字符

Plane 14
特别用途平面，240个(VS17~VS256)补充变量选择器(Variation Selectors Supplement)补充就在这个平面定义

Plane 15 & Plane 16
私用

参考资料：
https://zh.wikipedia.org/wiki/Unicode
https://zh.wikipedia.org/wiki/UTF-8
https://zh.wikipedia.org/wiki/UTF-16
https://blog.csdn.net/oyji1992/article/details/80030366

• Plane (Unicode) - Wikipedia

作者：1angxi
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来源：简书
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