常用编码详解

我会带着你远行 2022-09-19 12:20 180阅读 0赞

**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）   
  
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：

// 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;

if (state == AFTER\_PLUS)

if (c == ''-'')

return (WCHAR)''+'';

else

state = IN\_BASE64;

nbits = 0;

bitBuffer = 0; // it is not necessary

// don''t return yet, continue to the IN\_BASE64 mode

// state == Base64

if (byteType\[c\] & BASE64)

bitBuffer <<= 6;

bitBuffer |= base64Value\[c\];

nbits += 6;

if (nbits >= 16)

nbits -= 16;

return (WCHAR)((bitBuffer >> nbits) & 0x0000ffff);

return RET0;

// encount a byte which is not in base64 character set, switch out of base64 coding

state = IN\_ASCII;

if (c != ''-'')

return (WCHAR)c;

return RET0;

说明：对于一个UTF-7序列，可以通过连续输入字节并调用上面的函数，判断返回值，得到一个Unicode字符数组。   
  
 六、GB2312编码中汉字的确定   
  
 最早，表示汉字的区位码中，分为94个区，每个区94个汉字，1-15区是西文字符，图形等，16-5为一级汉字，56-87为二级汉字，87区以上为新字用。而我们在Windows默认的编码，GB2312（1981年国家颁布的《信息交换用汉字编码字符集基本集》）国标码，和区位码的换算为：   
  
 国标码 = 区位码  \+ 2020H  
  
而在汉字在计算机内表示的时候为保证ASCII码和汉字编码的不混淆，又做了一个换算：   
  
 汉字机内码 = 国标码  \+ 8080H  
  
所以，真正的在Windows上的GB2312汉字编码是机内码，从上边的两个公式可以得到的就是：   
  
 汉字机内码 = 区位码  \+ a0a0H  
  
一个汉字的编码最少要a0a0H，因此我们在CString中辨别汉字的时候可以认为：当一个字符的编码大于a0的时候它应该是汉字的一个部分。但是也有特殊的情况的，不是每个汉字的两个字节编码都是大于a0H的，例如‘镕’的编码是 ‘E946’，后面的部分就不满足大于a0H的条件。   
  
七、Windows下多字节编码和Unicode的转换   
  
Windows 提供了API函数，可以把Unicode字符数组转换为GB2312字符串。其中，Unicode数组在传入时候最后一个为0，也就是所谓的null termidated字符串。在函数内部得到要返回字节串的大小，请求空间，进行真正的转换操作，指针在外部使用后释放，或者在类中加如其他的操作来处理，比如析构函数中释放。返回值为写到字节串里数目。

int StringEncode::UnicodeToGB2312(char \*\*dest, const WCHAR \*src)

char\* buffer;

int size = ::WideCharToMultiByte(CP\_ACP, 0, src, -1, NULL, 0, NULL, NULL);

// null termidated wchar''s buffer

buffer = new char\[size\];

int ret = ::WideCharToMultiByte(CP\_ACP, NULL, src, -1, buffer, size + 1, NULL, NULL);

if (\*dest != 0)

delete \*dest;

\*dest = buffer;

return ret;

注：其中见到有人在使用的时候，申请缓冲区空间时候是申请了(zise + 1)个来，最后一个字节写''/0''，结束字符串。但是在我调试时候发现：系统给的size已经包含了一个写入''/0''的字节，而且最后得到的串中，''/0''是已经被系统API写入了。（也许我的实验有错误，有待验证）。把Unicode字符数组转换为UTF-8和UTF-7的方法类似，只要是WideCharToMultiByte函数的第一个表示代码页参数改为CP\_UTF7(65000)和CP\_UTF8(65001)。   
  
 同样道理，把多字节转换为Unicode字符数组，也有相应的函数。和上面的函数类似，可以通过先提供一个空缓冲区而先得到需要的大小，然后开辟空间得到最后的字符数组。但是考虑到效率，可以适当牺牲一些空间，提供一个足够大的字符数组，数组大小在极端的情况下（全是ASCII）是和字节数组大小一样的。

int StringEncode::Gb2312ToUnicode(WCHAR \*\*dest, const char \*src)

int length = strlen(src); // null terminated buffer

WCHAR \*buffer = new WCHAR\[length + 1\]; // WCHAR means unsinged short, 2 bytes

// provide enough buffer size for Unicodes

int ret = ::MultiByteToWideChar(CP\_ACP, MB\_PRECOMPOSED, src, length, buffer, length);

buffer\[ret\] = 0;

if (\*dest != 0)

delete \*dest;

\*dest = buffer;

return ret;

注：删除以前的缓冲区时候的操作，其实没有必要判断是不是为空，因为删除空指针是没有问题的，因为delete内部提供了这样的机制。   
  
 八、URL 解码   
  
 用IE发送GET请求的时候，URL是用UTF-8编码的，当对截包数据分析时候就需要对数据解码，下面的函数是一个简单的实现：

CString CTestUrlDlg::UrlToString(CString url)

CString str = "";

int n = url.GetLength();

url.MakeLower();

BYTE a, b1, b2;

for (int i=0; i< (buffer\[0\] && ((0x80 +="a;" t 0x3f); & (buffer\[2\] | temp="0;" 6; << (buffer\[1\] 0x0f; three 0xf0)) ((0xe0 0x1f; two 0xe0)) ((0xc0 one 0x80) t; \*buffer="buf" WCHAR &t) int \*buf, UTF8ToUnicode(unsigned str; str else i b2; a="b1" ) url.GetAt(i+2) b2="charToHex(" 0xf0; 4) b1="charToHex(" ); url.GetAt(i+1) ??; 后面没有两个字符了，错误 3) i) - ((n ??%??) (url.GetAt(i)="=" i++)>= ''0'') && (c <= ''9''))

d = c - ''0'';

else if ((c >= ''a'') && (c <= ''f''))

d = c - ''a'' + 10;

else if ((c >= ''A'') && (c <= ''F''))

d = c - ''A'' + 10;

else

d = 0;

return d;

static void UnicodeToGB2312(const WCHAR unicode, char\* buffer)

// int size = ::WideCharToMultiByte(CP\_ACP, 0, unicode, -1, NULL, 0, NULL, NULL);

int ret = ::WideCharToMultiByte(CP\_ACP, NULL, &unicode, -1, buffer, 3, NULL, NULL);

CString CTestUrlDlg::Uft8ToGB(CString url)