常用编码详解
作者：李静南
摘要：本文在对各种资料整理后详细介绍各种常见编码的转换算法。
一、通用字符集（UCS）
2）多8比特字节序列的第一个8比特字节指明了系列中8比特字节的数目。
3）8比特字节值FE和FF永远不会出现。
4）在8比特字符流中字符边界从哪里开始较容易发现。
在UTF-8中，字符采用1到6个8比特字节的序列进行编码。仅仅一个8比特字节的一个序列中，字节的高位为0，其他的7位用于字符值编码。n（n>1）个8比特字节的一个序列中，初始的8比特字节中高n位为1，接着一位为0，此字节余下的位包含被编码字符值的位。接着的所有8比特字节的最高位为1，接着下一位为0，余下每个字节6位包含被编码字符的位。 下表总结了这些不同的8比特字节类型格式。字母x指出此位来自于进行编码的UCS-4字符值。
ISO/IEC 10646-1 [ISO-10646]
定义了一种多于8比特字节的字符集，称作通用字符集（UCS），它包含了世界上大多数可书写的字符系统。已定义了两种多8比特字节编码，对每一个字符采用四个8比特字节编码的称为UCS-4，对每一个字符采用两个8比特字节编码的称为UCS-2。它们仅能够对UCS的前64K字符进行编址，超出此范围的其它部分当前还没有分配编址。 二、基本多语言面（BMP）ISO 10646
定义了一个31位的字符集。然而，在这巨大的编码空间中，迄今为止只分配了前65534个码位 (0x0000 到 0xFFFD)。这个UCS的16位子集称为 “基本多语言面 ”(Basic Multilingual Plane, BMP)。 三、Unicode编码 历史上，有两个独立的，创立单一字符集的尝试。一个是国际标准化组织(ISO)的 ISO 10646 项目；另一个是由(一开始大多是美国的)多语言软件制造商组成的协会组织的 Unicode 项目。幸运的是， 1991年前后, 两个项目的参与者都认识到：世界不需要两个不同的单一字符集。它们合并双方的工作成果，并为创立一个单一编码表而协同工作。两个项目仍都存在并独立地公布各自的标准，但 Unicode 协会和 ISO/IEC JTC1/SC2 都同意保持 Unicode 和 ISO 10646 标准的码表兼容，并紧密地共同调整任何未来的扩展。Unicode 标准额外定义了许多与字符有关的语义符号学，一般而言是对于实现高质量的印刷出版系统的更好的参考。 四、UTF-8编码UCS-2
和UCS-4编码很难在许多当前的应用和协议中使用，这些应用和协议假定字符为一个8或7比特的字节。即使新的可以处理16比特字符的系统，却不能处理UCS-4数据。这种情况导致一种称为UCS转换格式（UTF）的发展，它每一种有不同的特征。 UTF-8(RFC 2279)，使用了8比特字节的所有位，保持全部US-ASCII取值范围的性质：US-ASCII字符用一个8比特字节编码，采用通常的US-ASCII值，因此，在此值下的任何一个8比特位字节仅仅代表一个US-ASCII字符，而不会为其他字符。它有如下的特性：1
）UTF-8向UCS-4，UCS-2两者中任一个进行相互转换比较容易。2）多8比特字节序列的第一个8比特字节指明了系列中8比特字节的数目。
3）8比特字节值FE和FF永远不会出现。
4）在8比特字符流中字符边界从哪里开始较容易发现。
UTF-8
定义:在UTF-8中，字符采用1到6个8比特字节的序列进行编码。仅仅一个8比特字节的一个序列中，字节的高位为0，其他的7位用于字符值编码。n（n>1）个8比特字节的一个序列中，初始的8比特字节中高n位为1，接着一位为0，此字节余下的位包含被编码字符值的位。接着的所有8比特字节的最高位为1，接着下一位为0，余下每个字节6位包含被编码字符的位。 下表总结了这些不同的8比特字节类型格式。字母x指出此位来自于进行编码的UCS-4字符值。
UCS-4范围（16进制） UTF-8 系列（二进制）
0000 0000<->0000 007F 0xxxxxxx
0000 0080<->0000 07FF 110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800<->0000 FFFF 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000<->001F FFFF 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0020 0000<->03FF FFFF 111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0400 0000<->7FFF FFFF 1111110x 10xxxxxx ... 10xxxxxx
从UCS-4 到 UTF-8编码规则如下：
1）从字符值和上表第一列中决定需要的8比特字节数目。着重指出的是上表中的行是相互排斥的，也就是说，对于一个给定的UCS-4字符，仅仅有一个有效的编码。
2）按照上表中第二列每行那样准备8比特字节的高位。
3）将UCS字符值的位，从低位起填充在标记为x地方。从UTF8序列中最后一个字节填起，然后剩下的字符值依次放到前一个字节中，如此重复，直到所有标记位x的位都进行了填充。 这里我们仅仅实现Unicode到UTF8的转换，Unicode都是两个字节，定义为:
typedef usigned short WCHAR
// 输出的UTF8编码至多是3个字节。
int UnicodeToUTF8(WCHAR ucs2, unsigned char *buffer)
{
memset(buffer, 0, 4);
if ((0x0000 <= ucs2) && (ucs2 <= 0x007f)) // one char of UTF8
{
buffer[0] = (char)ucs2;
return 1;
}
if ((0x0080 <= ucs2) && (ucs2 <= 0x07ff)) // two char of UTF8
{
buffer[1] = 0x80 | char(ucs2 & 0x003f);
buffer[0] = 0xc0 | char((ucs2 >> 6) & 0x001f);
return 2;
}
if ((0x0800 <= ucs2) && (ucs2 <= 0xffff)) // three char of UTF8
{
buffer[2] = 0x80 | char(ucs2 & 0x003f);
buffer[1] = 0x80 | char((ucs2 >> 6) & 0x003f);
buffer[0] = 0xe0 | char((ucs2 >> 12) & 0x001f);
return 3;
}
return 0;
}
理论上，简单的通过用2个0值的8比特字节来扩展每个UCS-2字符，则从UCS-2到UTF-8编码的算法可以从上面得到。然而，从D800到DFFF间的UCS-2值对（用Unicode说法是代理对），实际上是通过UTF-16来进行UCS-4字符转换，因此需要特别对待：UTF-16转换必须未完成，先转换到于UCS-4字符，然后按照上面过程进行转换。 从UTF-8到UCS-4解码过程如下：
1）初始化UCS-4字符4个8比特字节的所有位为0。
2）根据序列中8比特字节数和上表中第二列（标记为x位）来决定哪些位编码用于字符值。
3）从编码序列分配位到UCS-4字符。首先从序列最后一个8比特字节的最低位开始，接着向左进行，直到所有标记为x的位完成。如果UTF-8序列长度不大于3个8比特字节，解码过程可以直接赋予UCS-2。
WCHAR UTF8ToUnicode(unsigned char *buffer)
{
WCHAR temp = 0;
if (buffer[0] < 0x80) // one char of UTF8
{
temp = buffer[0];
}
if ((0xc0 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xe0)) // two char of UTF8
{
temp = buffer[0] & 0x1f;
temp = temp << 6;
temp = temp | (buffer[1] & 0x3f);
}
if ((0xe0 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xf0)) // three char of UTF8
{
temp = buffer[0] & 0x0f;
temp = temp << 6;
temp = temp | (buffer[1] & 0x3f);
temp = temp << 6;
temp = temp | (buffer[2] & 0x3f);
}
if ((0x80 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xc0)) // not the first byte of UTF8 character
return 0xfeff; // 0xfeff will never appear in usual
return temp; // more than 3-bytes return 0
}
注意：上面解码算法的实际实现应该进行安全保护，以便处理解码无效的系列。例如:实现可能（错误）解码无效的UTF-8系列0xC0 0x80为字符U+0000，它可能导致安全问题或其他问题（比如把0当作数组结束标志）。更详细的算法和公式可以在[FSS_UTF]，[UNICODE] 或[ISO-10646]附录R中找到。 五、UTF-7编码
UTF-7
：A Mail-Safe Transformation Format of Unicode(RFC1642)。这是一种使用 7 位 ASCII 码对 Unicode 码进行转换的编码。它的设计目的仍然是为了在只能传递 7 为编码的邮件网关中传递信息。 UTF-7 对英语字母、数字和常见符号直接显示，而对其他符号用修正的 Base64 编码。符号 + 和 - 号控制编码过程的开始和暂停。所以乱码中如果夹有英文单词，并且相伴有 + 号和 - 号，这就有可能是 UTF-7 编码。 协议中定义的转换规则：1）集合D中的Unicode字符可以直接的编码为ASCII的等值字节。集合O中的字符可以有有选择的的直接编码为ASCII的等值字节，但要记得其中的很多的字符在报头字段是不合法的，或者不能正确的穿过邮件网关。
2）通过在前面加上转换字符"+"，任何一个Unicode序列都可以使用集合B（更改过的base64）中的字符编码。"+"意味着后面的字节将被作为更改过的BASE64字母表中的元素解析，直到遇到一个不是字母表中的字符为止。这些字符中会包含控制字符，比如回车和换行；因此，一个Unicode转换序列总是在一行上结束。注释：有两个特殊的情形："+-"表示''+''，"+ …… --"表示有一个真正的''-''字符出现了。多数情况是没有''-''标记结束。
3）空格、tab、回车和换行字符可以直接使用ASCII等价字节表示。 那么我们就可以定义算法了，我们先定义字符集的相关数组：
typedef unsigned char byte
// 64 characters for base64 coding
byte base64Chars[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
// 8 characters are safe just as base64 characters for MAIL gates
byte safeChars[] = "''(),-.:?";
// 4 characters all means space
byte spaceChars[] = " /t/n/r";
注：在编码处理时候，我们需要对一个字节判断属于哪类字符，以便确定处理规则，如果简单的使用范围比较的方式，效率很低，我们采用哈希表的思路：建立一个256长的数组，那么对于每一个字节的值，就可以定义一个类型。判断时候，对每个字符都直接取数组的值。
// mask value defined for indentify the type of a byte
#define BASE64 0x01
#define SAFE 0x02
#define SPACE 0x04
byte byteType[256]; // hash table used for find the type of a byte
bool firstTime = true; // the first time to use the lib, wait for init the table
// 注：为了解码base64编码部分的字符，需要一个哈希表，对一个base64字符都可以直接得到0-64之间的一个数：
byte base64Value[128];
这两个哈希表在使用前要初始化：
void initUTF7Tables()
{
byte *s;
if(!firstTime)
return;
// not necessary, but should do it to be robust
memset(byteType, 0, 256);
memset(base64Value, 0, 128);
for(s=base64Chars; *s!=''/0''; s++)
{
byteType[*s] |= BASE64;
base64Value[*s] = s - base64Chars; // the offset, it is a 6bits value,0-64
}
for(s=safeChars; *s!=''/0''; s++)
byteType[*s] |= SAFE;
for(s=spaceChars; *s!=''/0''; s++)
byteType[*s] |= SPACE;
firstTime = false;
}
UTF-7编码转换时候，是与当前字符是与状态有关的，也就是说：
1）正处于Base64编码状态中
2）正处于直接编码状态中
3）现在UTF-7的缓冲区里，当前的字符是转换开关"+" 所以要定义相关的字段：
1）正处于Base64编码状态中
2）正处于直接编码状态中
3）现在UTF-7的缓冲区里，当前的字符是转换开关"+" 所以要定义相关的字段：
// the state of current character
#define IN_ASCII 0
#define IN_BASE64 1
#define AFTER_PLUS 2
在使用规则2进行编码时候，需要使用base64的方法，也就需要2个全局的辅助变量：
int state; // state in which we are working
int nbits; // number of bits in the bit buffer
unsigned long bitBuffer; // used for base64 coding
把一个Unicode字符转化为一个UTF-7序列：返回写到缓冲区里的字节数目，函数影响了state，nbits，bitBuffer三个全局变量。这里先实现了一个简单的辅助函数，功能是把一个Unicode字符转变后写到提供的缓冲区中，返回写入的字节个数。在开始编码Unicode字符数组中第一个字符的时候，state，nbits，bitBuffer三个全局变量需要被初始化：
state = IN_ASCII;
nbits = 0;
bitBuffer = 0;
int UnicodeToUTF7(WCHAR ucs2, byte *buffer)
{
byte *head = buffer;
int index;
// is an ASCII and is a byte in char set defined
if (((ucs2 & 0xff80) == 0)) && (byteType[(byte)u2] & (BASE64|SAFE|SPACE)))
{
byte temp = (byte)ucs2;
if (state == IN_BASE64) // should switch out from base64 coding here
{
if (nbits > 0) // if some bits in buffer, then output them
{
index = (bitBuffer << (6 - nbits)) & 0x3f;
*s++ = base64[index];
}
if ((byteType[temp] & BASE64) || (temp == ''-''))
*s++ = ''-'';
state = IN_ASCII;
}
*s++ = temp;
if (temp == ''+'')
*s++ = ''-'';
}
else
{
if (state == IN_ASCII)
{
*s++ = ''+'';
state = IN_BASE64; // begins base64 coding here
nbits = 0;
bitBuffer = 0;
}
bitBuffer <<= 16;
bitBuffer |= ucs2;
nbits += 16;
while(nbits >= 6)
{
nbits -= 6;
index = (bitBuffer >> nbits) & 0x3f; // output the high 6 bits
*s++ = base64[index];
}
}
return (s - head);
}
说明：对于合法的Unicode字符数组，可以通过逐个输入数组中的字符，连续调用上面的函数，得到一个UTF-7字节序列。需要说明的是：最后一个Unicode字符应该是上面三个字节数组中某个字符的等值。 下面，我们实现一个简单的说明函数，功能是：输入一个UTF-7字节，可能得到并返回一个合法Unicode字符；也可能不能得到，比如遇到''+''或者因为还没有完成一个字符的拼装，这时返回一个标志字符0xfeff，这个字符常用来标志Unicode编码。 注：函数影响了state，nbits，bitBuffer三个全局变量。在开始处理第一个字节时候，变量需要被初始化为：
state = IN_ASCII;
nbits = 0;
bitBuffer = 0;
#define RET0 0xfeff
WCHAR UTF7ToUnicode(byte c)
{
if(state == IN_ASCII)
{
if (c == ''+'')
{
state = AFTER_PLUS;
return RET0;
}
else
return (WCHAR)c;