Python字符编码详解

本文详细讲解字符编码的相关知识，包括字符编码的发展历程，字符编码的使用，在python中字符编码的应用

首先要明确：计算机中的所有数据，不论是文字、图片、视频、还是音频文件，本质上最终都是按照类似 01010101 的二进制存储的

拓展1:什么是编码，解码？

1.信息的两种状态：

1）明文状态：类似显示器上能看到的消息，内容等，存储在内存中，是处于运行状态的信息，一般是用Unicode万国码存储的数据流（或者叫信息流，字节流等）
2）文件状态：类似硬盘文本文件中存储的数据或者信息，相对来说是处于静止的状态，存储方式为二进制0101
3）人可以看懂显示器上的明文，计算机可以看懂文本中的二进制数据
4）将明文（内存中的信息流）从内存中保存到硬盘文件中的过程需要用到“编码”操作，将文本内容从硬盘读到内存中的过程需要用到“解码”操作
5）“编码”就是我们保存文件的过程，解码”就是我们打开文件的过程，这两个过程是互逆的

拓展2:字符与字节

1.字符

显示器可以看到的汉字或英文就是字符

不同编码下一个字符占用的内存或磁盘空间不同

2.字节（B，Byte）

是计算机存储的最小单位，一字节等于八位
是计算机编程语言中的数据类型和语言字符。

3.位（b，bit，比特）

数据传输的最小单位

4.B与bit

数据存储是以“字节”（Byte）为单位，数据传输大多是以“位”（bit）为单位，
一个位就代表一个0或1（即二进制），每8个位组成一个字节

5.B与iB

1）数据的存储与传输
数据存储是以10进制表示，数据传输是以2进制表示的，所以1KB不等于1000B。

1KiB（Kilobyte）=1000byte
1MiB（Megabyte）=1000000byte
1KB（Kibibyte）=1024byte
1MB（Mebibyte）=1048576byte

2）硬盘标称容量与实际容量

硬盘生产商是以十进制，GiB（即10的3次方=1000，如1MiB=1000KB）计算的，
而电脑是以2进制，GB（即2的10次方， 如1MB=1024KB）计算的
但是国内用户一般理解为1MiB=1M=1024 KB, 所以为了便于中文化的理解，翻译MiB为MB也是可以的。

3）单位转换

1B=1Byte=8bit
1KB=1024B
1MB=1024KB
1GB=1024MB
1TB=1024GB
1PB=1024TB
1EB=1024PB
1ZB=1024EB
1YB=1024ZB
1BB=1024YB

======== 分割线 =======

1.常见的编码格式

1.1.ASCII码：最早的字符编码

1）全称：美国标准信息交换代码，American Standard Code for Information Interchange
2）设计初衷：为了与计算进行交互设计出ASCII码，是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言
3）设计原理：计算机上的数据都是以二进制的形式存储的，1个字节（8比特）可以表示256种状态，英文只有26个字符，再加上一些特殊字符，使用128个就够了，计算机就可以使用127个不同字节来存储英语文字，就是ASCII编码
最开始的时候8位中的最高位是没有用到的，后来为了表示拉丁文，将最高位用上形成扩展ASCII编码，一个字节就用满了。
4）编码规定：每个字符（英文字符）最多只能用一个字节（8 位bit）来表示，所有字符都各占1个字节
即：2**8 = 256-1，所以，ASCII码最多只能表示 255 个符号。

1.2.GB2312 (1981)（关于中文的处理）

1）设计初衷：计算机进入中国后，无法显示中文，现有的ASCII已经被占满了无法编码中文，于是制定GB2312，
2）设计原理：将ASCII码扩展的第八位对应的拉丁文全部删掉，规定一个小于127的字符与原来的意义相同，当两个大于127的字符链接在一起的时候，就表示一个汉字，前面一个字节为高字节（0xA1-0xF7），后面一个字节为低字节(0xA1-0xFE)，这样可以表示7445个中文字符
3）编码特点：收录7445个中文字符，6763个汉字和682个其他符号，GB2312是对ASCII的中文扩展，是支持中文的第一张表

1.3.GBK1.0 (1995) （GBK）

1）设计初衷：由于汉字的数量太大，GB2312不能满足需求
2）设计原理：规定只要第一个字节大于127就固定表示一个汉字，不管后面的是不是扩展字符集里面的内容，扩展后的编码为GBK1.0版本
3）编码特点：GBK包括了GB2312的所有内容，收录21886个中文字符（包括繁体）和符号
4）编码规定：1个中文字符占2个字节

1.4.GB18030 (2000)

1）设计初衷：是为了取代GBK1.0的正式国家标准，
2）设计原理：略
3）编码特点：该标准收录27484个汉字，和其他藏文，蒙文，维吾尔文，繁体，日文，朝鲜语等主要的少数名族文字，GB18030相对GBK增加的字符普通人很难用到
4）编码规定：1个中文字符占2个字节

1.5.Unicode万国码：统一的字符编码

1）其他名称：也叫统一码，单一码
2）设计初衷：由于ASCII码无法表示世界上所有国家和地区的文字和符号，每个国家都搞自己的编码，彼此之间互不支持，带来很多麻烦，所以设计出Unicode
3）编码特点：可以提供65535种字符，支持了全球各个国家的语言编码，且包含了与所有国家编码的映射关系
4）编码规定：所有的文字和符号最少由2个字节（16位）来表示，可能更多，一般是2-4个字节
即：2**16 = 65535 = 存一个字符，统一占用2个字节

1.6.UTF-8字符集

1）设计初衷：由于Unicode使用2-4个字节，对于英文世界的国家来说，一个字节完全够用，使用Unicode会造成空间浪费
2）设计原理：对Unicode进行优化产生一种可变长的字符编码集，根据不同的符号变化字节长度，当字符在ASCII编码范围时，用一个字节表示，兼用ASCII，在存储和传输时更加节省空间
3）编码规定：英文字符用ASCII码来存，一个英文字符占1个字节，一个欧洲语言字符占2个字节，1个中文字符占3个字节
4）其他不同的Unicode扩展集：
utf-16：一个字符占2个字节或2个以上，可以存2的16次方，共65535个字符
utf-32：一个字符占4个字节
5）Unicode和utf-8的关系：Unicode是内存编码方案（规范标准），而utf-8是字符集，是保存和传输Unicode的是实现方式
一般不直接用Unicode，而是用UTF-8等字符编码

注意：
1）以上几种编码，后面的编码兼容前面的标准，在这些编码中，英文和中文可以统一处理。
unicode向下兼容gb2312 , gbk
2）区分中文编码的方法是高字节的最高位不为0。
3）按照程序员的习惯，GB2312、GBK1.0到GB18030都属于双字节字符集 (DBCS)。
4）中国规定：进入中国的软件必须支持GBK，PC平台要求必须能支持GB18030，嵌入式产品，如手机，MP3等不做要求，只需要支持GB2312即可
5）无论以何种编码在内存里显示字符，存在硬盘上后都是二进制编码
6）在硬盘上以何种编码存的数据，必须以原来的编码读取，否则会乱码

1.6.其他地区的编码字符集

BIG5 (1984)：台湾设计，13053个繁体中文
Shift-JIS，日本字符
ks_c_5601（1987），韩国字符
TIS-620，泰国编码

1.7.ANSI编码（American National Standards Institute美国国家标准学会）

1）不同的国家和地区制定了不同的标准，由此产生了 GB2312、GBK、Big5、Shift_JIS 等各自的编码标准。这些使用 1 至 4 个字节来代表一个字符的各种汉字延伸编码方式，称为 ANSI 编码。
2）在简体中文Windows操作系统中，ANSI 编码代表 GBK 编码；
3）在日文Windows操作系统中，ANSI 编码代表 Shift_JIS 编码。
4）不同 ANSI 编码之间互不兼容，当信息在国际间交流时，无法将属于两种语言的文字，存储在同一段 ANSI 编码的文本中。 当然对于ANSI编码而言，0x00~0x7F之间的字符，依旧是1个字节代表1个字符。这一点是ANSI编码与Unicode编码之间最大也最明显的区别。

总结：

1）字符编码的发展：

ASCII -->GB2312 ->GBK1.0(GBK)-->GB18030 
ASCII -->unicode -->utf-8/utf-16

2）不同字符编码占用的磁盘空间大小

1）ASCII码中：一个英文字符（拉丁文）占1个字节，8位，不能存中文，所以出了Unicode
2）GBK中：一个中文字符占用2个字节，1个英文字符占用1个字节
3）unicode中：默认所有中英文字符都占2个字节，16位，
4）utf-8中：一个中文字符占用3个字节，一个英文字符默认占1个字节，8位

2.字符编码的使用

2.1.Python解释器中的字符编码的使用

Python解释器在加载 .py文件中的代码时，需要使用指定的字符编码将内容进行转换为0101这种二进制代码，交付给CPU处理
Python2.x解释器默认编码是ASCII码，不支持中文，要使用中文，需提前申明字符编码
Python3.x解释器默认编码是unicode，支持中文，不需要申明字符编码

Python2.7支持中文的方法：

1）编辑py程序msg.py，在第一行申明需要使用的字符编码

vim msg.py
-------------------------
# -*- coding:utf-8 -*-       # 放在第一行；
# encoding:utf-8             # 放在第一行；
# coding:utf-8               # 放在第一行；
msg = "今天天气真不错"
print(msg)
-------------------------
python msg.py
--->今天天气真不错

也可以用这种：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

2）变量值前加个字母“u”，代表用Unicode显示

vim msg.py
-------------------------
msg = u"今天天气真不错"
print(msg)
-------------------------
python msg.py
--->今天天气真不错

2.2.系统中编码的使用：

1）中文Windows默认编码：GBK(GBK1.0)

切换字符编码为GBK的windows命令：

chcp 936

2）Mac和Linux默认编码：UTF-8

3）打印系统默认编码

import sys
print(sys.getdefaultencoding())

3.字符编码转换

3.1.Python2中的string编码

1）在Python2中，字符串可以存成两种类型：str和unicode，他们在内存中的存储方式不同，但都可以直接打印到屏幕上
str存储byte字节数据，用<type 'str'>表示，存入的是二进制bytes的str类型，打印到屏幕时会自动转为Unicode，所以可以打印中文，也可以手动转换为Unicode打印到屏幕
unicode存储unicode数据，用<type 'unicode'>表示，直接保存成Unicode数据，可以直接打印内存中的Unicode数据到屏幕，也可以编码为str字符串打印出来

str1:UTF-8 --> str1.decode("utf-8") -->str1-2:Unicode --> str1-2.encode("gbk")-->str1-2:GBK
str2:GBK --> str2.decode("gbk") -->str2-2:Unicode --> str2-2.encode("utf-8") -->str2-2:UTF-8

2）两种类型可以通过编码解码进行相互转换，也可以进行字符串拼接（bytes数据会自动转码为Unicode）

3）只要数据全部是ASCII，自动转换就正常，否则会出现乱码，出现UnicodeDecodeError 的错误
Python2编码让程序在处理 ASCII 的时候更加简单，代价就是在处理非 ASCII 的时候将会失败

实例演示1：

[root@zssrv ~]# python2
----------------------------
str1='中国hello123'
print type(str1)             # <type 'str'>，存入的是str类型
print repr(str1)             # '\xe4\xb8\xad\xe5\x9b\xbdhello123'，内存中存储的二进制bytes数据
print str1            　　　　# 中国hello123，打印到屏幕时会自动转为Unicode，所以可以打印中文

a = str1.decode('utf8')        # str类型也就是二进制bytes，手动解码成Unicode读出来
print type(a)            　　# <type 'unicode'>，转换为了Unicode
print repr(a)                # u'\u4e2d\u56fdhello123'，内存中存储的Unicode数据
print  a            　　　　  # 中国hello123，手动转换成的a是Unicode所以可以打印中文
a2 = str1.decode('gbk')      # 但如果用错误的编码解析，就会报错
# --->UnicodeDecodeError: 'gbk' codec can't decode bytes in position 2-3: illegal multibyte sequence

str2=u'你好hello123'
print type(str2)            # <type 'unicode'>，直接保存成了Unicode数据
print str2            　　  # 你好hello123，直接打印内存中的Unicode数据
print repr(str2)            # u'\u4f60\u597dhello123'，内存中存储的Unicode数据

b = str2.encode('utf-8')    # Unicode类型的，可以编码为str读出来
print b                     # 你好hello123
print type(b)               # <type 'str'>
print repr(b)               # '\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbdhello123'
---------------------------

实例演示2：字符串拼接

print (u"hello"+"world")     # hello中国
print ("hello"+u"中国")      # hello中国
print (u"hello"+"中国")
--->UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128)

3.2.Python3中的string编码

1）在Python3中，字符串有两种数据类型：str（unicode）和bytes，但内存中都表示为Unicode，可以直接打印到屏幕 
str类型存unicode数据，用<class 'str'>表示，使用”\uxxxx“显示，也就是内存中的文本数据流
bytse类型存bytes字节数据，用<class 'bytes'>表示，使用b’\uxxxx’这种二进制格式显示，也就是硬盘文本文件中的内容
2）在Python命令行中，Unicode字符会默认的转换成可显示的字符串格式，而不会显示其本身的二进制码。
3）Python 3最重要的新特性之一是对文本和二进制数据作了更为清晰的区分，不再会对bytes字节串进行自动解码。
4）不能拼接字符串和字节包，不能在字节包里搜索字符串（反之亦然），不能将字符串传入参数为字节包的函数（反之亦然）。

实例演示：Python3中

import json
str3 = '你好'
print(str3)            　　　　# 你好，可以直接打印字符串
print(type(str3))             # <class 'str'>，在内存中保存成Unicode数据
print(json.dumps(str3))       # "\u4f60\u597d"

c = str3.encode('utf8')       # 可以手动编码为bytes类型，二进制数据
print(c)                      # b'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'，直接打印二进制数据，而不是字符内容
print(type(c))                # <class 'bytes'>

u = c.decode('utf8')          # 再次用utf-8解码为str字符串类型（Unicode数据）
print(u)                      # 你好
print(type(u))                # <class 'str'>，查看是Unicode数据
print(json.dumps(u))          # "\u4f60\u597d"

str4 = u'你好'
print(str4)　　　　　　　　　　　# 你好，可以直接打印，没必要前面加u
print(type(str4))             # <class 'str'>
print(json.dumps(str4))       # "\u4f60\u597d"

实例演示：字符串拼接，不同类型，肯定会报错

print(b'hello'+'world')       # TypeError: can't concat str to bytes

注意：

1）在Python 2中，print是一个语句（statement）；在Python 3中变成了函数（function）。
2）无论py2，还是py3,与明文直接对应的就是unicode数据，打印unicode数据就会显示相应的明文(包括英文和中文)
3）在内存中的unicode,存到硬盘上或网络传输需要转成gbk/utf-8（自动转）
4）音视频文件是用二进制bytes字节数据保存的
5）Python3里只有Unicode才会打印中文，s.encode("gbk")不会打印中文（不去编码表里找），而是显示bytes数据

通过这种方式就是想告诉别人：py3里想要看到字符，必须是Unicode，其他的编码一律按bytes格式展示

遇到乱码问题的思路：

1）Python解释器的默认编码（py2，py3）
2）Python源文件文件编码（申明的编码utf-8，gbk）
3）Terminal使用的编码（cmd等）与py文件的不匹配
4）操作系统的语言设置（windows，linux，mac等）

常用的编辑器默认编码

EmEditor        GB2312
pycharm         unicode
notepad++       utf-8

参考文章：

python 之路，致那些年，我们依然没搞明白的编码
http://www.cnblogs.com/alex3714/articles/7550940.html

py编码终极版
http://www.cnblogs.com/yuanchenqi/articles/5956943.html

字符串相关
http://www.diveintopython3.net/strings.html

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

完毕，呵呵呵呵

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