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Python字符编码unicode-vs-utf-8

Python admin 4年前 (2015-12-03) 1734次浏览 0个评论 扫描二维码

字符编码

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 个字母被编码到计算机里,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。

char-encoding-problem

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

Unicode 转换为 utf-8 原理

以下是 Unicode 和 UTF-8 之间的转换关系表:
U-00000000 – U-0000007F: 0xxxxxxx       //没有 1 表示只有 1 个字节
U-00000080 – U-000007FF: 110xxxxx 10xxxxxx  //前面 2 个 1 表示由 2 个字节
U-00000800 – U-0000FFFF: 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx //前面 3 个 1 表示由 3 个字节
U-00010000 – U-001FFFFF: 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx //依次类推
U-00200000 – U-03FFFFFF: 111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-04000000 – U-7FFFFFFF: 1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
Unicode 编码转换到 UTF-8,简单的把 Unicode 字节流套到 x 中就变成 UTF-8 了。

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。

Python 的字符串

搞清楚了令人头疼的字符编码问题后,我们再来研究 Python 的字符串。

在最新的 Python 3 版本中,字符串是以 Unicode 编码的,也就是说,Python 的字符串支持多语言,例如:

>>> print('包含中文的 str')
包含中文的 str

对于单个字符的编码,Python 提供了ord()函数获取字符的整数表示,chr()函数把编码转换为对应的字符:

>>> ord('A')
65
>>> ord('中')
20013
>>> chr(66)
'B'
>>> chr(25991)
'文'

如果知道字符的整数编码,还可以用十六进制这么写str

>>> '\u4e2d\u6587'
'中文'

两种写法完全是等价的。

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'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'
>>> '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'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'.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'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87')
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:

set-encoding-in-notepad++

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:

py-chinese-test-in-cmd

格式化

最后一个常见的问题是如何输出格式化的字符串。我们经常会输出类似'亲爱的 xxx 你好!你 xx 月的话费是 xx,余额是 xx'之类的字符串,而 xxx 的内容都是根据变量变化的,所以,需要一种简便的格式化字符串的方式。

py-str-format

在 Python 中,采用的格式化方式和 C 语言是一致的,用%实现,举例如下:

>>> 'Hello, %s' % 'world'
'Hello, world'
>>> 'Hi, %s, you have $%d.' % ('Michael', 1000000)
'Hi, Michael, you have $1000000.'

你可能猜到了,%运算符就是用来格式化字符串的。在字符串内部,%s表示用字符串替换,%d表示用整数替换,有几个%?占位符,后面就跟几个变量或者值,顺序要对应好。如果只有一个%?,括号可以省略。

常见的占位符有:

%d 整数
%f 浮点数
%s 字符串
%x 十六进制整数

其中,格式化整数和浮点数还可以指定是否补 0 和整数与小数的位数:

>>> '%2d-%02d' % (3, 1)
' 3-01'
>>> '%.2f' % 3.1415926
'3.14'

如果你不太确定应该用什么,%s永远起作用,它会把任何数据类型转换为字符串:

>>> 'Age: %s. Gender: %s' % (25, True)
'Age: 25. Gender: True'

有些时候,字符串里面的%是一个普通字符怎么办?这个时候就需要转义,用%%来表示一个%

>>> 'growth rate: %d %%' % 7
'growth rate: 7 %'

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