深入图解字符集与字符集编码（四）——Unicode

本文系统介绍了Unicode方面的一些重要知识，如码点，平面，代理区，代理对以及UTF，用具体的例子讲解了码点到UTF-8及UTF-16的转换原理与过程。文中还顺便鸟瞰了一下BMP字符集，以此获取更加直观的印象。

unicodeUTF 码点 平面 代理区

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什么是Unicode？

Unicode中的码点是什么？

码点的表示形式与范围是？

平面，BMP，SP

什么是平面？

什么是BMP？

什么是增补平面？

鸟瞰BMP字符集

CJK

正则表达式[\u4E00-\u9FA5]来匹配中文的问题在哪？

代理区

什么是UTF？

UTF-32

UTF-8

码点与字节如何对应？

码点到UTF-8如何转换？

UTF-16

什么是代理区？

什么是代理对？

码点如何转换成UTF-16编码？

前面谈到不少的Unicode，但一直没有系统地谈及Unicode的方方面面，所以本篇文章专门谈谈Unicode，当然了，Unicode是一个庞大的主题，这里也是拣些重要的方面谈谈而已，免不了挂一漏万。

本篇是系列中的第四篇，第三篇见：深入图解字符集与字符集编码（三）——定长与变长

什么是Unicode？

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按Unicode官方的说法，Unicode是Unicode Standard（Unicode标准）的简写，所以Unicode即是指Unicode标准。

按wiki的说法，它是一个计算机工业标准（a computing industry standard）。

下图来自http://www.unicode.org/standard/WhatIsUnicode.html中的截图，在这里我把中文和英文的合在一起

这样一个所谓的一个唯一的数字在Unicode中就叫做码点。

Unicode中的码点是什么？

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字符集通常又叫编码字符集（coded charset），这里的coded与字符集编码（charsetencoding）中的encoding是不同的，一个是code，一个是encode，翻译时都可以译成编码，但把coded charset译成编号字符集也许更不易引发误解。码点（Code Point）即是这里的code，表示的是一种抽象的数字编号。UTF-X则是最终的encoding，这点如不明白，仍请参见系列第二篇。

码点的表示形式与范围是？

U+[XX]XXXX是码点的表示形式，X代表一个十六制数字，可以有4-6位，不足4位是前补0补足4位，超过则按是几位就是几位。以下是码点的一些具体示例：U+0048，U+4F60，U+1D11E。最后一个是5位的码点。

有人可能以为码点只有4位，并常常将它与UTF-16的编码搞混，这些都是对码点的误解。

它的范围目前是U+0000~U+10FFFF，理论大小为10FFFF+1=110000₁₆。后一个1代表是65536，因为是16进制，所以前一个1是后一个1的16倍，所以总共有1×16+1=17个的65536的大小，粗略估算为17×6万=102万，所以这是一个百万级别的数。准确的值是1114112，一般记为111万左右即可。110000写成二进制是10001000000000000，是一个21位的二进制数，我们知道2¹⁰=K，2²⁰=K×K=M，即百万级别，所以2²¹理论上限是两百万左右。10001000000000000大小基本上由第一个1决定，所以也就一百万左右，从这里也可印证前面的估算。

按照Unicode官方的说法，码点范围就这些了，以后也不会再扩充了。

为了更好分类管理如此庞大的码点数，把每65536个码点作为一个平面，总共17个平面。

平面，BMP，SP

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什么是平面？

由前面可知，码点的全部范围可以均分成17个65536大小的部分，这里面的每一个部分就是一个平面（Plane）。编号从0开始，第一个平面称为Plane 0.

下图来自http://rishida.net/docs/unicode-tutorial/part2

什么是BMP？

第一个平面即是BMP（Basic Multilingual Plane 基本多语言平面），也叫Plane 0，它的码点范围是U+0000~U+FFFF。这也是我们最常用的平面，日常用到的字符绝大多数都落在这个平面内。UTF-16只需要用两字节编码此平面内的字符。

很多人错误地把UTF-16当成定长两字节看待，但只要处理的字符都在这一平面内，一般也不会遇到什么问题。

什么是增补平面？

后续的16个平面称为SP（Supplementary Planes）。显然，这些码点已经是超过U+FFFF的了，所以已经超过了16位空间的理论上限，对于这些平面内的字符，UTF-16采用了四字节编码。

注：其中很多平面还是空的，还没有分配任何字符，只是先规划了这么多。

鸟瞰BMP字符集

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Unicode的字符如此之多，即使是最常用的BMP，它的码点空间也有6万多，如果把这些字符都放到一张图片上，会是什么情况呢？GNU Unifont就制作了一张这样的图片。见http://unifoundry.com/pub/unifont-7.0.03/unifont-7.0.03.bmp，提示：打开它需要一点时间，它的像素是4000×4000这个级别，下图是它的一个缩略版本。

这是一个256×256=65536的表格，横向纵向都是从00~FF。

CJK

你可能已经注意到上图中间一大片的区域，没错，它就是我们的汉字，在Unicode中，称为CJK统一汉字（CJK：Chinese, Japanese, and Korean，中日韩）。我们可以局部放大看一下。

正则表达式[\u4E00-\u9FA5]来匹配中文的问题在哪？

你可能在不少地方见过这种写法，严格来说这只是Unicode最主要的一段中文区域，你只要稍加计算就可知这一段大小不过是两万多一点，\u4E00-\u9FA5（19968-40869），中文怎么可能只有这两万多字呢？这里的“天字第一号”字4E00是哪个字呢？请看上面的图，它就是“一“字，我们还可以看到它上面还有不少的汉字，这就是后来增补的汉字了。所以严格来说，这个上限是不准确的。那么它的下限又是否准确呢？下面是Word的一个插入符号功能的一个截图

可以看到9FA5后面也还有不少的汉字，它们中间又还夹杂着一些符号，所以想正确地表示Unicode中的汉字还是个不小的挑战。

代理区

你可能还注意到前面的BMP缩略图中有一片空白，这白花花一片亮瞎了我们的猿眼的是啥呢？正如标题已经告诉你的，这就是所谓的代理区（Surrogate Area）了。关于代理区的相关用途，我们在讲到UTF-16编码时再说。

可以看到这段空白从D8~DF。其中前面的红色部分D800–DBFF属于高代理区（High Surrogate Area），后面的蓝色部分DC00–DFFF属于低代理区（Low Surrogate Area），各自的大小均为4×256=1024。

还可以看到在它之前是韩文的区域，之后E0开始到F8的则是属于私有的（private），可以在这里定义自己专用的字符。

至此我们对Unicode的码点，平面都有了一定的了解，但我们还没有触及一个重要的方面，那就是码点到最终编码的转换，在Unicode中，这称为UTF。

什么是UTF？

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UTF即是Unicode转换格式（Unicode (or UCS) Transformation Format）

关于UCS：Universal Character Set（统一字符集），也称ISO/IEC 10646标准，不那么严格的情况下，可以认为它和”Unicode字符集“这一概念是等价的。如有兴趣的可以自行搜索了解。

码点如何转换成UTF的几种形式呢？我想这是大家很关心的问题，再发一次前面的一个图

让我们先从最简单的UTF-32说起

UTF-32

我们说码点最大的10FFFF也就21位，而UTF-32采用的定长四字节则是32位，所以它表示所有的码点不但毫无压力，反而绰绰有余，所以只要把码点的表示形式以前补0的形式补够32位即可。这种表示唯一的缺点是占用空间太大。

再来看稍复杂一点的UTF-8。

UTF-8

UTF-8是变长的编码方案，可以有1，2，3，4四种字节组合。在前面的定长与变长篇章我们提到UTF-8采用了高位保留方式来区别不同变长，如下：

码点与字节如何对应？

哪些码点用哪种变长呢？可以先把码点变成二进制，看它有多少有效位（去掉前导0）就可以确定了。

1. 一字节留给了ASCII，码点U+0000~U+007F（127）使用一字节。

2. 二字节有效编码位只有5+6=11位，最多只有2¹¹=2048个编码空间，所以数量众多的汉字是无法容身于此的了。码点U+0080~U+07FF（2047）使用二字节。

3. 三字节模式可看到光是保留位就达到4+2+2=8位，相当一字节，所以只有两字节16位有效编码位，它的容量实际也只有65536。码点U+0800~U+FFFF使用三字节编码。我们前面说到，一些汉字字典收录的汉字达到了惊人的10万级别。基本上，常用的汉字都落在了这三字节的空间里，这就是我们常说的汉字在UTF-8里用三字节表示。当然了，这么说并不严谨，如果这10万的汉字都被收录进来的话，那些偏门的汉字自然只能被挤到四字节空间上去了。

4. 四字节的可以看到它的有效位是3+6+6+6=21位，前面说到最大的码点10FFFF也是21位，U+FFFF以上的增补平面的字符都在这里来表示。

按照UTF-8的模式，它还可以扩展到5字节，乃至6字节变长，但Unicode说了码点就到10FFFF，不扩充了，所以UTF-8最多到四字节就足够了。

码点到UTF-8如何转换？

那么具体是如何转换呢，其实不难，来看一个汉字”你“（U+4F60）的转换示意，如下图所示：

上图显示了一有效位为15位的码点到三字节转换的一个基本原理，我们还可看到原来4F60中的一头一尾的两个4和0在转换后还存在于最终的三字节结果中。UTF-8三字节模式固定了1110的开头模式，所以多数汉字总是以1110开头，换成16进制形式，1110就是字母E。

如果看到一串的16进制有如下的形式EX XX XX EX XX XX…每三个三个字节前面都是E打头，那么它很可能就是一串汉字的UTF-8编码了。

其它变长字节转换道理也类似，其中分组从低位开始，高位如不足则补零。这里就不再示例了。

最后来看最复杂的UTF-16，在此之前我们先要理解代理区与代理对等概念。

UTF-16

UTF-16是一种变长的2或4字节编码模式。对于BMP内的字符使用2字节编码，其它的则使用4字节组成所谓的代理对来编码。

什么是代理区？

在前面的鸟瞰图中，我们看到了一片空白的区域，这就是所谓的代理区（Surrogate Area）了，代理区是UTF-16为了编码增补平面中的字符而保留的，总共有2048个位置，均分为高代理区（D800–DBFF）和低代理区（DC00–DFFF）两部分，各1024，这两个区组成一个二维的表格，共有1024×1024=2¹⁰×2¹⁰=2⁴×2¹⁶=16×65536，所以它恰好可以表示增补的16个平面中的所有字符。（当然了，说恰好是不对的，因为代理区就是冲着表示增补平面来设计的）。下面的图片来自wiki

什么是代理对？

一个高代理区（即上图中的Lead（头），行）的加一个低代理区（即上图中的Trail（尾），列）的编码组成一对即是一个代理对（Surrogate Pair），必须是这种先高后低的顺序，如果出现两个高，两个低，或者先低后高，都是非法的。

在图中可以看到一些转换的例子，如（D8 00 DC 00）—>U+10000，（DB FF DF FF）—>U+10FFFF

码点如何转换成UTF-16编码？

分成两部分，BMP中直接对应，无须做任何转换。

增补平面SP中，则需要做相应的计算。其实由上图中的表也可看出，码点就是从上到下，从左到右排列过去的，所以只需做个简单的除法，拿到除数和余数即可确定行与列。

拿到一个码点，先减去10000₁₆，再除以400₁₆（=1024₁₀）就是所在行了，余数就是所在列了，再加上行与列所在的起始值，就得到了代理对了。

Lead = (码点 - 10000₁₆) ÷ 400₁₆ + D800

Trail = (码点 - 10000₁₆) % 400₁₆ + DC00

下面以前面的U+1D11E具体示例了代理对的计算：

Lead = (1D11E - 10000₁₆) ÷ 400₁₆ + DB00 = D11E ÷ 400₁₆ + D800 = 34 + D800 = D834

Trail = (1D11E - 10000₁₆) % 400₁₆ + DC00 = D11E % 400₁₆ + DC00 = 11E + DC00 = DD1E

所以，码点U+1D11E对应的代理对即是 D834 DD1E。

关于Unicode的基本知识，就讲到这里。

原文：http://my.oschina.net/goldenshaw/blog/310331