Python 字符编码详解

  接着之前写过的字符编码详解，这里我们来讲一讲“Python”中的字符编码问题。由于笔者使用的是Python2.7，而且较之于Python3，前者的字符编码问题显得更为复杂一些，因此本文所讲的“字符编码”基于Python2.7（以下简称“Python”）。

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1.str和unicode

  Python中有两种字符串，str和unicode，它们都是basestring的子类。如下：

class basestring(object)class str(basestring)class unicode(basestring)

  basestring是str和unicode的超类（父类），也是抽象类，因此不能被调用和实例化，但可以被用来判断一个对象是否为str或者unicode的实例，isinstance(obj, basestring)等价于isinstance(obj, (str, unicode))。如下：

>>> my_str="你好">>> my_unicode=u"你好">>> my_str'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'>>> my_unicodeu'\u4f60\u597d'>>> isinstance(my_str, str)True>>> isinstance(my_str, unicode)       False>>> isinstance(my_unicode, unicode)True>>> isinstance(my_unicode, str)       False>>> isinstance(my_str, basestring)       True>>> isinstance(my_unicode, basestring)   True

  严格来讲，str是字节字符串，由字符串的二进制字节组成（如果对str类型的字符串迭代的话，则会按照其在内存中的字节序依次迭代）；unicode是文本字符串，由字符组成。如下：

>>> my_str="你好">>> my_unicode=u"你好">>> my_str'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'>>> my_unicodeu'\u4f60\u597d'>>> len(my_str)#求的是字节数6>>> len(my_unicode)#求的是字符数2>>> my_str[1]'\xbd'>>> my_unicode[1]u'\u597d'

上例中，对于同一个中文字符串“你好”，str的表示为：'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'，这是字符串“你好”的utf8编码（e4 bd a0 e5 a5 bd），至于为什么不是GBK编码或者别的什么编码，则与环境设置有关；unicode的表示为：u'\u4f60\u597d'，这是字符串“你好”的Unicode表示（U+4f60 U+597d）。有一点需要说明的是，Python中，用转义序列\xhh表示十六进制值为hh的字符，用转义序列\uxxxx表示十六进制值为xxxx的字符（仅限Unicode）。

  str和unicode，二者之间是可以相互转换的，依靠decode()和encode()两个方法即可完成转换：

来看一段代码：

>>> my_str="你好"    >>> my_unicode=u"你好">>> my_str'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'>>> my_unicodeu'\u4f60\u597d'>>> my_str2unicode=my_str.decode("utf8")>>> my_unicode2str=my_unicode.encode("utf8")>>> my_str2unicodeu'\u4f60\u597d'>>> my_unicode2str'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'

  当然，除了上图的标准转换方式外，我们还可以使用str.encode()和unicode.decode()方式进行转换，这就涉及到一个隐式转换的问题。当我们使用str.encode(encoding)时，实际上是在执行str.decode(sys.defaultencoding).encode(encoding)；当我们使用unicode.decode(encoding)时，实际上是在执行unicode.encode(sys.defaultencoding).decode(encoding)。其中，defaultencoding的默认值为ASCII，如下：

>>> my_str="你好">>> my_str.encode("utf8")Traceback (most recent call last):  File "<stdin>", line 1, in <module>UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128)>>> import sys>>> sys.getdefaultencoding()'ascii'

显然，utf8编码的字符超出了ASCII的编码范围，所以抛出了异常（其中的codec是coder/decoder的首字母组合）。我们可以手动设置defaultencoding的值，使得decode()可以正确解码以执行str.encode()，如下：

>>> import sys>>> reload(sys)<module 'sys' (built-in)>>>> sys.setdefaultencoding("utf8")>>> sys.getdefaultencoding()      'utf8'>>> my_str="你好">>> my_str'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'>>> my_str.encode("gbk")'\xc4\xe3\xba\xc3'

有心的读者可能已经注意到了，上述代码中似乎多加了一句reload(sys)，这是因为，在sys加载后，setdefaultencoding函数被删除了，所以我们需要重新加载一遍。至于为什么要删掉，就是为了使用户无法在初始化后改变编码，以免出现一些未知的问题，针对这点，此处暂且按下不表。
  最后我们再提一下str()方法和unicode()方法。str(object)等同于object.encode(defaultencoding)，unicode()则类似于decode()，具体如下：
  str()方法：

>>> my_unicode=u"你好">>> str(my_unicode)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)>>> import sys>>> sys.getdefaultencoding()'ascii'>>> reload(sys)<module 'sys' (built-in)>>>> sys.setdefaultencoding("utf8")>>> str(my_unicode)               '\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'

  unicode()方法：

>>> my_str="你好">>> unicode(my_str, "utf8")u'\u4f60\u597d'>>> unicode(my_str)        Traceback (most recent call last):  File "<stdin>", line 1, in <module>UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128)>>> import sys>>> reload(sys)<module 'sys' (built-in)>>>> sys.setdefaultencoding("utf8")>>> unicode(my_str)               u'\u4f60\u597d'

2.#coding:utf8

  我们经常能在Python脚本的第一行或者第二行看见类似于#coding:utf8的一行代码，这叫编码声明，它主要有以下作用：

1. 根据代码文件中的编码声明，Python解析器可以对其中包含的特定编码字符作正确解析；
2. 比较高级的编辑器，会根据编码声明，将此作为代码文件的存储格式。

  有一点需要注意的是，在my_str="中文"这样的语句中，字节串的编码方式取决于代码文件的存储格式，而非编码声明，所以编码声明和代码的存储格式要一致，否则Python解析器很可能因无法正确解析而报错。我们来看一个例子：

#coding:gbkmy_str="中文"

以上是Python脚本test_str.py，其存储格式为utf8，执行后会报错：

  File "test_str.py", line 2SyntaxError: 'gbk' codec can't decode bytes in position 10-11: illegal multibyte sequence

很明显，由于文件的存储格式为utf8，所以"中文"的编码为utf8，而文件的编码声明为gbk，所以Python解析器将以gbk的方式去解析"中文"，二者不一致，所以抛出异常。

  另外，上一节出现了类似于my_unicode=u"中文"这样的语句，它的作用是完成str到unicode的转换，只要编码声明正确，Python便可以将str正确转换为unicode。

  关于编码声明，读者可以阅读PEP 263，这里我们只强调以下几点：

1. 必须放在第一行或者第二行；
2. 声明的通用格式：^[ \t\v]*#.*?coding[:=][ \t]*([-_.a-zA-Z0-9]+)或者# vim: set fileencoding=<encoding name> :；
3. 如果你的代码文件本身编码是带BOM的UTF-8，即文件前三个字节是\xef\xbb\xbf，那么：a)、即使你没有附加编码声明，也会当做是UTF-8的编码；b)、如果你声明了文件编码，则必须是UTF-8，否则会报错；

3.setdefaultencoding()

  第一节中，提及了sys模块中的setdefaultencoding()函数，这一节，我们准备对它做一个详述。
  当我们启动Python解释器的时候，会自动加载库文件site.py，其中有这么一段代码：

# Remove sys.setdefaultencoding() so that users cannot change the# encoding after initialization.  The test for presence is needed when# this module is run as a script, because this code is executed twice.if hasattr(sys, "setdefaultencoding"):    del sys.setdefaultencoding

  从这段代码可以看到，当我们import sys后，其中的setdefaultencoding()函数就会被删除，这也就解释了为什么要reload(sys)才能使用该函数。那么，为什么要删除setdefaultencoding()函数？这是因为，随意更改默认编码会引发一些意想不到的问题。来看两个例子：

#coding:utf8my_str="中文"my_unicode=u"中文"my_str==my_unicode

#coding:utf8import sysreload(sys)sys.setdefaultencoding("utf8")my_str="中文"my_unicode=u"中文"my_str==my_unicode

  执行第二段代码，正常；执行第一段代码，会抛出异常：

test_str.py:4: UnicodeWarning: Unicode equal comparison failed to convert both arguments to Unicode - interpreting them as being unequal  my_str==my_unicode

这是因为，Python在做字符串对比时，会先自动将所有的字符串decode为unicode，然后再进行比较。在第一段代码中，由于Python的默认编码是ASCII，无法将中文字符串decode为unicode，所以抛出异常；在第二段代码中，Python的默认编码被修改为utf8，可以将中文字符串decode为unicode，所以执行正常。
  通过上述例子，可以发现，修改Python的默认编码，会导致代码执行结果的不一致，这并非我们想看到的，故而Python进行了删除setdefaultencoding()函数的操作，以防止用户对Python默认编码的修改。

4.unicode-escape、string-escape、raw-unicode-escape

  这一节我们介绍几种用来“转义”的编码方式：unicode-escape、string-escape、raw-unicode-escape。话不多说，直接看代码：

#unicode-escape>>> my_unicode=u"中文">>> my_unicode_escape="\u4e2d\u6587">>> my_unicodeu'\u4e2d\u6587'>>> my_unicode_escape'\\u4e2d\\u6587'>>> my_unicode.encode("unicode-escape")'\\u4e2d\\u6587'>>> my_unicode_escape.decode("unicode-escape")u'\u4e2d\u6587'

#string-escape>>> my_str="中文">>> my_str_escape="\\xe4\\xb8\\xad\\xe6\\x96\\x87">>> my_str'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'>>> my_str_escape'\\xe4\\xb8\\xad\\xe6\\x96\\x87'>>> my_str.encode("string-escape")'\\xe4\\xb8\\xad\\xe6\\x96\\x87'>>> my_str_escape.decode("string-escape")'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'

#raw-unicode-escape>>> my_str1=u"\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87">>> my_str2="中文">>> my_str1u'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'>>> my_str2'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'>>> my_str1.encode("raw-unicode-escape")'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'>>> my_str2.decode("raw-unicode-escape")u'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'

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参考文献

[1] http://python.jobbole.com/82107/
[2] http://blog.csdn.net/trochiluses/article/details/16825269
[3] https://www.zhihu.com/question/31833164
[4] http://blog.csdn.net/xw_classmate/article/details/51933904
[5] https://www.python.org/dev/peps/pep-0263/
[6] http://blog.csdn.net/u012005313/article/details/48031281
[7] https://blog.ernest.me/post/python-setdefaultencoding-unicode-bytes
[8] http://blog.csdn.net/heybob/article/details/48373021
[9] http://python.usyiyi.cn/translate/python_278/reference/lexical_analysis.html
[10] http://kuanghy.github.io/2017/02/24/python-str-to-unicode-escape
[11] http://www.qmailer.net/archives/251.html
[12] http://blog.csdn.net/lrz4119/article/details/45247611
[13] https://mozillazg.github.io/2013/12/python-raw-unicode.html
[14] https://www.cnblogs.com/long2015/p/4090824.html
[15] http://python.jobbole.com/81244/
[16] https://www.2cto.com/kf/201411/355112.html
[17] http://www.cnblogs.com/harrychinese/archive/2012/01/19/change_python_default_encoding.html
[18] https://neo1218.github.io/reload/
[19] https://www.the5fire.com/why-need-reload-sys.html
[20] http://python-china.org/t/973
[21] http://www.jianshu.com/p/9686bfa7e81c
[22] http://blog.chinaunix.net/uid-29655675-id-4354608.html
[23] http://python-china.org/t/849
以上为本文的全部参考文献，对原作者表示感谢。