计算机基础知识--编码知识

编码回顾

　　编码转换

　　Python的bytes类型

编码回顾

在备编码相关的课件时，在知乎上看到一段关于Python编码的回答

这哥们的这段话说的太对了，搞Python不把编码彻底搞明白，总有一天它会猝不及防坑你一把。

不过感觉这哥们的答案并没把编码问题写明白，所以只好亲自动笔了。

折腾编码问题，有很多次，我以为自已明白了，最终发现，那只不过是自圆其说而已，这一次，终于100%确定，动笔即不再改！

看这篇文章前，你应该已经知道了为什么有编码，以及编码的种类情况

ASCII 占1个字节，只支持英文
GB2312 占2个字节，支持6700+汉字
GBK GB2312的升级版，支持21000+汉字
Shift-JIS 日本字符
ks_c_5601-1987 韩国编码
TIS-620 泰国编码

由于每个国家都有自己的字符，所以其对应关系也涵盖了自己国家的字符，但是以上编码都存在局限性，即：仅涵盖本国字符，无其他国家字符的对应关系。应运而生出现了万国码，他涵盖了全球所有的文字和二进制的对应关系，

Unicode 2-4字节已经收录136690个字符，并还在一直不断扩张中...

Unicode 起到了2个作用：

直接支持全球所有语言，每个国家都可以不用再使用自己之前的旧编码了，用unicode就可以了。(就跟英语是全球统一语言一样)
unicode包含了跟全球所有国家编码的映射关系，为什么呢？后面再讲

Unicode解决了字符和二进制的对应关系，但是使用unicode表示一个字符，太浪费空间。例如：利用unicode表示“Python”需要12个字节才能表示，比原来ASCII表示增加了1倍。

由于计算机的内存比较大，并且字符串在内容中表示时也不会特别大，所以内容可以使用unicode来处理，但是存储和网络传输时一般数据都会非常多，那么增加1倍将是无法容忍的！！！

为了解决存储和网络传输的问题，出现了Unicode Transformation Format，学术名UTF，即：对unicode中的进行转换，以便于在存储和网络传输时可以节省空间!

UTF-8：使用1、2、3、4个字节表示所有字符；优先使用1个字符、无法满足则使增加一个字节，最多4个字节。英文占1个字节、欧洲语系占2个、东亚占3个，其它及特殊字符占4个
UTF-16：使用2、4个字节表示所有字符；优先使用2个字节，否则使用4个字节表示。
UTF-32：使用4个字节表示所有字符；

总结：UTF 是为unicode编码设计的一种在存储和传输时节省空间的编码方案。

字符在硬盘上的存储

无论以什么编码在内存里显示字符，存到硬盘上都是2进制。

 ascii编码(美国)：
    l   0b1101100
    o   0b1101111
    v   0b1110110
    e   0b1100101
GBK编码(中国)：
    老   0b11000000 0b11001111
    男   0b11000100 0b11010000
    孩   0b10111010 0b10100010
Shift_JIS编码(日本)：
    私   0b10001110 0b10000100
    は   0b10000010 0b11001101
ks_c_5601-1987编码(韩国)：
    나   0b10110011 0b10101010
    는   0b10110100 0b11000010
     
TIS-620编码(泰国)：
    ฉัน  0b10101001 0b11010001 0b10111001
...

 要注意的是，存到硬盘上时是以何种编码存的，再从硬盘上读出来时，就必须以何种编码读，要不然就乱了。。

编码的转换

虽然国际语言是英语，但大家在自己的国家依然说自已的语言，不过出了国，你就得会英语
编码也一样，虽然有了unicode and utf-8 ，但是由于历史问题，各个国家依然在大量使用自己的编码，比如中国的windows,默认编码依然是gbk,而不是utf-8

基于此，如果中国的软件出口到美国，在美国人的电脑上就会显示乱码，因为他们没有gbk编码。
若想让中国的软件可以正常的在美国人的电脑上显示，只有以下2条路可走：

让美国人的电脑上都装上gbk编码
把你的软件编码以utf-8编码

第1种方法几乎不可能实现，第2种方法比较简单。但是也只能是针对新开发的软件。如果你之前开发的软件就是以gbk编码的，上百万行代码可能已经写出去了，重新编码成utf-8格式也会费很大力气。

so , 针对已经用gbk开发完毕的项目，以上2种方案都不能轻松的让项目在美国人电脑上正常显示，难道没有别的办法了么？
有，还记得我们讲unicode其中一个功能是其包含了跟全球所有国家编码的映射关系，意思就是，你写的是gbk的“路飞学城”,但是unicode能自动知道它在unicode中的“路飞学城”的编码是什么，如果这样的话，那是不是意味着，无论你以什么编码存储的数据，只要你的软件在把数据从硬盘读到内存里，转成unicode来显示，就可以了。
由于所有的系统、编程语言都默认支持unicode，那你的gbk软件放到美国电脑上，加载到内存里，变成了unicode,中文就可以正常展示啦。

这个表你自己也可以下载下来

unicode与gbk的映射表 http://www.unicode.org/charts/

Python3的执行过程

在看实际代码的例子前，我们来聊聊，python3 执行代码的过程

解释器找到代码文件，把代码字符串按文件头定义的编码加载到内存，转成unicode
把代码字符串按照语法规则进行解释，
所有的变量字符都会以unicode编码声明

编码转换过程

实际代码演示，在py3上把你的代码以utf-8编写，保存，然后在windows上执行，

 s = '路飞学城'
print(s)

so ,一切都很美好，到这里，我们关于编码的学习按说就可以结束了。

但是，如生活一样，美好的表面下，总是隐藏着不尽如人意，上面的utf-8编码之所以能在windows gbk的终端下显示正常，是因为到了内存里python解释器把utf-8转成了unicode , 但是这只是python3, 并不是所有的编程语言在内存里默认编码都是unicode,比如万恶的python2 就不是，它的默认编码是ASCII，想写中文，就必须声明文件头的coding为gbk or utf-8, 声明之后，python2解释器仅以文件头声明的编码去解释你的代码，加载到内存后，并不会主动帮你转为unicode,也就是说，你的文件编码是utf-8,加载到内存里，你的变量字符串就也是utf-8, 这意味着什么你知道么？。。。意味着，你以utf-8编码的文件，在windows是乱码。

乱是正常的，不乱才不正常，因为只有2种情况，你的windows上显示才不会乱

字符串以GBK格式显示
字符串是unicode编码

既然Python2并不会自动的把文件编码转为unicode存在内存里，那就只能使出最后一招了，你自己人肉转。Py3 自动把文件编码转为unicode必定是调用了什么方法，这个方法就是，decode(解码) 和encode(编码)

 UTF-8 --> decode 解码 --> Unicode
Unicode --> encode 编码 --> GBK / UTF-8 .. 

decode示例

encode 示例

记住下图规则

如何验证编码转对了呢？

1. 查看数据类型，python 2 里有专门的unicode 类型
2. 查看unicode编码映射表

　　unicode字符是有专门的unicode类型来判断的，但是utf-8,gbk编码的字符都是str,你如果分辨出来的当前的字符串数据是何种编码的呢？有人说可以通过字节长度判断，因为utf-8一个中文占3字节，gbk一个占2字节

靠上面字节个数，虽然也能大体判断是什么类型，但总觉得不是很专业。

怎么才能精确的验证一个字符的编码呢，就是拿这些16进制的数跟编码表里去匹配。

“路飞学城”的unicode编码的映射位置是 u'\u8def\u98de\u5b66\u57ce' ，‘\u8def’ 就是‘路’，到表里搜一下。
“路飞学城”对应的GBK编码是'\xc2\xb7\xb7\xc9\xd1\xa7\xb3\xc7' ，2个字节一个中文，"路" 的二进制 "\xc2\xb7"是4个16进制，正好2字节，拿它到unicode映射表里对一下，发现是G0-4237，并不是\xc2\xb7呀。。。擦。演砸了吧。。

再查下“飞” \u98de ，对应的是G0-3749，跟\xb7\xc9也对不上。

虽然对不上，但好\xc2\xb7 和G0-4237中的第2位的2和第4位的7对上了，“飞”字也是一样，莫非巧合？

把他们都转成2进制显示试试

 路
C               2
8   4   2   1   8   4   2   1
<strong>1   1   0   0   0   0   1   0</strong>
B               7
8   4   2   1   8   4   2   1
<strong>1   0   1   1   0   1   1   1</strong>
飞
B               7
8   4   2   1   8   4   2   1
1   0   1   1   0   1   1   1
C               9
8   4   2   1   8   4   2   1
1   1   0   0   1   0   0   1

这个“路”还是跟G0-4237对不上呀，没错，但如果你把路\xc2\xb7的每个二进制字节的左边第一个bit变成0试试呢，我擦，加起来就真的是4237了呀。。难道又是巧合？？？　

必然不是，是因为，GBK的编码表示形式决定的。。因为GBK编码在设计初期就考虑到了要兼容ASCII,即如果是英文，就用一个字节表示，2个字节就是中文，但如何区别连在一起的2个字节是代表2个英文字母，还是一个中文汉字呢？中国人如此聪明，决定，2个字节连在一起，如果每个字节的第1位(也就是相当于128的那个2进制位)如果是1，就代表这是个中文，这个首位是128的字节被称为高字节。也就是2个高字节连在一起，必然就是一个中文。你怎么如此笃定？因为0-127已经表示了英文的绝大部分字符，128-255是ASCII的扩展表，表示的都是极特殊的字符，一般没什么用。所以中国人就直接拿来用了。

问：那为什么上面 "\xc2\xb7"的2进制要把128所在的位去掉才能与unicode编码表里的G0-4237匹配上呢？

这只能说是unicode在映射表的表达上直接忽略了高字节，但真正映射的时候，肯定还是需要用高字节的哈。

Python bytes类型

在python 2 上写字符串

 >>> s = "路飞"
>>> print s
路飞
>>> s
'\xe8\xb7\xaf\xe9\xa3\x9e'

虽说打印的是路飞，但直接调用变量s，看到的却是一个个的16进制表示的二进制字节，我们怎么称呼这样的数据呢？直接叫二进制么？也可以，但相比于010101，这个数据串在表示形式上又把2进制转成了16进制来表示，这是为什么呢？哈，为的就是让人们看起来更可读。我们称之为bytes类型，即字节类型，它把8个二进制一组称为一个byte,用16进制来表示。　

说这个有什么意思呢？

想告诉你一个事实，就是，python2的字符串其实更应该称为字节串。通过存储方式就能看出来，但python2里还有一个类型是bytes呀，难道又叫bytes又叫字符串？嗯，是的，在python2里，bytes == str ，其实就是一回事　

除此之外呢， python2里还有个单独的类型是unicode , 把字符串解码后，就会变成unicode

 >>> s
'\xe8\xb7\xaf\xe9\xa3\x9e' #utf-8
>>> s.decode('utf-8')
u'\u8def\u98de' #unicode 在unicode编码表里对应的位置 
>>> print(s.decode('utf-8')) 
路飞 #unicode 格式的字符

由于Python创始人在开发初期认知的局限性，其并未预料到python能发展成一个全球流行的语言，导致其开发初期并没有把支持全球各国语言当做重要的事情来做，所以就轻佻的把ASCII当做了默认编码。当后来大家对支持汉字、日文、法语等语言的呼声越来越高时，Python于是准备引入unicode,但若直接把默认编码改成unicode的话是不现实的，因为很多软件就是基于之前的默认编码ASCII开发的，编码一换，那些软件的编码就都乱了。所以Python 2 就直接搞了一个新的字符类型，就叫unicode类型，比如你想让你的中文在全球所有电脑上正常显示，在内存里就得把字符串存成unicode类型

 >>> s = "路飞"
>>> s
'\xe8\xb7\xaf\xe9\xa3\x9e'
>>> s2 = s.decode("utf-8")
>>> s2
u'\u8def\u98de'
>>> type(s2)
<type 'unicode'>

时间来到2008年，python发展已近20年，创始人龟叔越来越觉得python里的好多东西已发展的不像他的初衷那样，开始变得臃肿、不简洁、且有些设计让人摸不到头脑，比如unicode 与str类型，str 与bytes类型的关系，这给很多python程序员造成了困扰。
龟叔再也忍不了，像之前一样的修修补补已不能让Python变的更好，于是来了个大变革，Python3横空出世，不兼容python2,python3比python2做了非常多的改进，其中一个就是终于把字符串变成了unicode,文件默认编码变成了utf-8,这意味着，只要用python3,无论你的程序是以哪种编码开发的，都可以在全球各国电脑上正常显示，真是太棒啦！

PY3 除了把字符串的编码改成了unicode, 还把str 和bytes 做了明确区分， str 就是unicode格式的字符， bytes就是单纯二进制啦。