计算机基础(一)：ASCll、GB2312、GBK、Unicode、UTF-32、UTF-16、UTF-8深度解析

一、字符集和字符编码概念

1、字符集 (Character Set)

• 定义：一个预定义的字符集合，为每个字符分配一个唯一的编号（称为“码点”或“代码点”）
• 作用：定义能够表示哪些字符（如字母、数字、符号、汉字等）
• 例子：
  • ASCII：最基本的字符集！包含128个字符（英文字母、数字、常用标点、控制字符）
  • ISO-8859 系列：扩展了ASCII，用于西欧、东欧等不同语言区域
  • GB2312 / GBK / GB18030：中国国家标准字符集，包含简体汉字、拉丁字母、数字等
  • Big5：繁体中文常用字符集
  • JIS X 0208：日本常用字符集（包含汉字和假名）
  • Unicode：最重要的现代字符集！ 目标是包含世界上所有书写系统的所有字符，并为每个字符分配一个唯一的码点

2、字符编码 (Character Encoding)

• 定义：一种将字符集中的码点转换成计算机能够存储和传输的二进制序列（字节序列） 的规则。
• 作用：解决如何存储和传输字符集中的字符的问题
• 例子：
  • ASCII 编码：最简单的编码，直接将 ASCII 码位（0-127）存储为一个字节（最高位为0）。例如 A 的码位是 65，编码后就是字节 0x41 (二进制 01000001)
  • ISO-8859-1 编码：直接将码位（0-255）存储为一个字节
  • GBK 编码：对于 ASCII 范围内的字符（0-127），用一个字节表示（与 ASCII 兼容）。对于汉字和其他扩展字符，用两个字节表示。编码规则有特定的映射表
  • UTF-8： 最流行、最重要的 Unicode 编码方式之一。它是一种变长编码，使用 1 到 4 个字节来表示一个 Unicode 码位
  • UTF-16：使用 2 或 4 个字节来表示一个 Unicode 码位
  • UTF-32：使用固定的 4 个字节来表示每一个Unicode 码位

3、关键区别与联系

• 一个字符集可以有多种编码方式。这是理解它们区别的关键！
  • Unicode 字符集就有多种编码方式：UTF-8, UTF-16, UTF-32, 还有早期的 UCS-2 等
• 一种编码方式通常对应一个特定的字符集（或兼容其子集）
  • UTF-8 编码只能表示 Unicode 字符集中的字符
  • GBK 编码对应 GBK 字符集（它是 GB2312 的扩展）
  • ASCII 编码只对应 ASCII 字符集（128个字符）
• 总结一句话：字符集决定有哪些字符，字符编码决定怎么存/传字符(字符集码位到字节的映射规则)

一、ASCII（字符集/字符编码）

ASCII既是一个字符集，也是一个编码方案，并且是一体的。它定义了字符集（包含哪些字符）同时也定义了这些字符如何用数字表示（编码）。

1、ASCII字符集

ASCII 是美国信息交换标准代码，是最早的一种字符集，由美国标准协会（ANSI）在 1963 年制定，用于解决字符标准化和跨平台通信需求，便于计算机统一处理英语文本。

ASCII字符集特点：

• ASCII定义了128个字符，33个控制字符（0-31与127），95个可打印字符
  • 前32个字符和最后一个是不可打印的，包括控制字符，回车键、换行键、空格、删除等
  • 后95个字符是可打印的，包括字母、数字、标点符号等
• 适合英文，不支持中文、日文、韩文等非拉丁文字

ASCII字符集标准码表：

2、ASCII字符编码

  ASCII 编码是一种将字符转换为数字（并最终转为二进制）的规则，它是对ASCII字符集中字符的具体编码方式。每个 ASCII 字符用 7 位二进制数表示，对应一个十进制值（0~127）。

ASCII编码特点：

• 每个字符使用7 位（bit）编码，通常在存储或传输时补成一个完整的8位字节（byte），最高位补0

ASCII编码示例表：

3、扩展ASCII

ASCII扩展于1981年由IBM在其PC中首次大规模实施，主要原因是原始ASCII的7位限制无法满足多语言需求和8位硬件潜力。扩展增加了128个字符（128-255），包括符号、图形和西欧语言字符。

扩展 ASCII 的方式：

• 标准 ASCII 是 7 位，扩展 ASCII 将字符扩展为 8 位（1 字节），总数变为 256（0–255）
• 标准 ASCII，范围0-127，包含英文字符、数字、符号、控制字符
• 扩展 ASCII，范围128-255，包含特殊拉丁字母、图形符号等

常见扩展 ASCII 版本（扩展部分没有统一标准，不同厂商定义了不同的字符表）：

扩展ASCII 编码方式：

• 编码位数：8 位（二进制），即一个字节
• 编码范围：0–255
  • 0–127：标准 ASCII 保持不变
  • 128–255：扩展字符区
• 可表示：
  • 各种语言的特殊字母（é, ñ, ü 等）
  • 图形符号（█, ░, ═）
  • 特殊符号（©, ®, °, ±）等

总结一句话：

扩展 ASCII 是为了解决标准 ASCII 无法支持国际字符的问题，但由于缺乏统一标准（不同系统的扩展方式不同），最终被 Unicode（如 UTF-8） 所取代。

二、GB2312（字符集/字符编码）

GB2312是一个既包含字符集也定义了编码规则的国家标准。

1、GB2312字符集

随着计算机在中国的普及，中国需要一种适合处理简体汉字的编码方案，因为早期的英文ASCII编码（仅支持128个字符）无法满足中文使用需求。中国大陆在1980年代初期推出的一种汉字编码字符集，主要用于简体中文信息的处理和交换。

GB2312字符集组成：

• 1️⃣ 汉字字符（6763 个汉字）
  • 一级汉字：3755 个，常用汉字，按拼音顺序排列
  • 二级汉字：3008 个，次常用汉字，按部首结构排列
• 2️⃣ 非汉字字符（共 682 个）
  • 拉丁字母（A–Z, a–z）
  • 希腊字母（α，β 等）
  • 日文假名（片假名）
  • 数字（0–9）
  • 标点符号（中英文）
  • 常用符号（如 ©，￥，℃）
• 3️⃣ ASCII 字符（128 个），属于兼容范围

GB2312 字符集使用分区管理：

• GB2312将字符集划分为94个区，每区包含94个位，形成94×94的编码矩阵，总计8836个码位（也称为区位码）
  • 01-09区：收录除汉字外的682个全角字符
  • 10-15区：空白未使用（预留扩展）
  • 16-55区：一级汉字（3755个），按汉语拼音排序
  • 56-87区：二级汉字（3008个），按部首/笔画排序
  • 88-94区：空白未使用（预留扩展）
• GB2312 字符集中字符的区位码 = 区号 + 行号 + 列号，也可以说是区位码 = 区号 + 位号（后续字符编码会用到）

01-09区：除汉字外的 682 个全角字符

• 每个区的(0，0)处是没有定义字符的，每个区有定义字符的区域在(0，1) ~ (9，4)，所以每个区刚好包含94个码点

16-55区：收录 3755 个一级汉字，即常用汉字

• '饼' 在第 17 区的第 9 行第 3 列，所以其对应的区位码：区号 + 行号 + 列号 = 1793

56-87区：收录 3088 个二级汉字，即次常用汉字

• '侃' 在第 57 区的第 0 行第 9 列，所以其对应的区位码：区号 + 位号 = 5709

2、GB2312字符编码

• GB2312 规定对收录的每个字符采用两个字节表示（兼容的ascill依然单个字节）
  • 第一个字节为“高字节”，对应 94 个区（01-94区）
  • 第二个字节为“低字节”，对应 94 个位（每个区对应的94个位置，也是01-94）
  • 这就看出区位码的最大范围是：0101－9494（01区的01位 到 94区的94位）
• 区号和位号分别加上 0xA0（十进制为160）就是GB2312编码
  • 第一个字节和第二个字节就由01-94变成了161-254（对应十六进制0xA1-0xFE）
  • 此时GB2312编码对应范围就是0xA1A1 - 0xFEFE

举例：‘侃’字的存储方式

• 区号为57，也就是第一个字节为57，加上160为217（对应十六进制为0xD9）
• 位号为行号+列号为09，也就是第二个字节为09，加上160为169（对应十六进制为0xA9）
• 最终‘侃’字存储方式十进制为217 169（对应十六进制为0xD9 0xA9）

public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
    byte[] bytes = "侃".getBytes("GB2312");

    System.out.print("字节（十进制）: ");
    for (byte b : bytes) {
        // & 0xFF 把负数转为无符号正整数
        System.out.print((b & 0xFF) + " ");
    }

    System.out.println();

    System.out.print("字节（十六进制）: ");
    for (byte b : bytes) {
        // 0xFF & b 用于转无符号整数
        System.out.printf("%02X ", b & 0xFF);
    }
}

输出结果：

字节（十进制）: 217 169 
字节（十六进制）: D9 A9 

为什么区号和位号都需要加上 0xA0（十进制为160）?

• 因为区是一个字节，位是一个字节，这两个字节都是从01开始的，只有都加上160，才能避开 ASCII 和其他编码冲突

3、GB2312如何兼容ASCII

• 单字节部分
  • ASCII 码使用单字节表示，取值范围是0x00 到 0x7F（十进制 0 到 127）
  • 在 GB2312 中，0x00–0x7F 的字节值与 ASCII 完全相同
  • 因此，当你在一个以 GB2312 视作“编码”环境中读到一个字节，如果它落在0x00–0x7F，就可以直接当成 ASCII 字符来解释
• 双字节部分
  • 双字节编码的两个字节都落在0xA1 到 0xFE（十进制 161 得 254）这个范围内（GB2312 标准定义的有效区域）
  • 程序将这个读到的“高位字节”（第一个字节）和紧随其后的“低位字节”（第二个字节）组合在一起，形成一个两字节的编码。然后，它去查询 GB2312 的码表，找到这个双字节编码对应的汉字或符号

三、GBK（字符集/字符编码）

1、GBK字符集

GBK于1995年推出，是为了解决GB2312无法覆盖所有汉字（如生僻字和繁体字），GBK扩展GB2312字符集，支持更多生僻字、繁体字及少数民族文字。

GBK字符集组成：

• 单字节部分（ASCII）
  • 范围：0x00–0x7F（0-127）
  • 包括：英文字母、数字、标点、控制字符等
• 双字节部分（汉字和其他符号）
  • 第1字节：0x81–0xFE（129-256），共126位
  • 第2字节：0x40–0xFE（64-256），除0x7F，共191位
  • 理论编码空间：126 × 191 = 24066 个位置
  • 实际使用：21886 个字符
  • 包含字符
    • 全部的 GB2312 汉字（6763 个）
    • 扩展汉字（约 18000 个）
    • 常用繁体字
    • 日文假名
    • 希腊字母、俄文、西欧字符等
    • 图形符号、制表符等

2、GBK字符编码

GBK 和 GB2312 虽然有相似的结构（比如都使用区位码的概念），但它们在编码范围、字符数量、区位定义等方面存在明显区别。

GBK编码表：

• 区号从0x81-0xFE，一共126个分区
• 位号=行号+列号，从0x40–0xFE，排除0x7F和0xFF（后面解释），实际就190个位置
• 编码方式：第一个字节（区号）+ 第二个字节（位号）

… 省略中间的

GBK编码表为什么区号从0x81开始，位号从0x40开始，而且要排除0x7F和0xFF？

首字节0x81对应十进制129，这样就避开了标准ASCII0-127的范围了。次字节从0x40开始也是为了避开控制字符（兼容ASCIl和扩展字符）

0x7F 在 ASCII 表中是 DEL（删除）控制字符，在很多系统（特别是 Unix、DOS）中，0x7F 被保留用作控制功能。为避免误解或触发系统控制行为，被明确排除在 GBK 编码双字节的第二字节之外。

0xFF 是字节中的最大值，在很多编码协议中具有特殊含义，比如表示结束、填充、掩码等。它在一些通信协议中会被当作控制字节，因此也被排除以确保兼容性和稳定性。

3、GBK如何兼容GB2312

GB2312编码表区号和位号都是十进制，而且需要同时+160，而GBK则规则简单一些，直接就是十六进制的区号加位号即可，下面我们从GBK的编码表中找下‘侃’字，如下也是0xD9A9，这也就说明了GBK是兼容GB2312的

四、Unicode（字符集）

  Unicode是1991年一种国际标准字符集，旨在为全球所有语言的每个字符分配一个唯一的编码（称为码点），解决不同字符集间的兼容性问题。

解决的根本问题

• 在Unicode出现之前，存在数百种不同的、互不兼容的字符编码（如ASCII、ISO-8859系列、GB2312/GBK、Big5、Shift-JIS等）
• 这导致了严重的混乱：同一个数字在不同编码中可能代表完全不同的字符；文本在不同系统间交换时经常出现乱码；多语言文本共存非常困难

核心设计原则

• 通用性： 包含所有现代及许多历史书写系统的字符，以及大量符号（数学、技术、货币、标点、表情符号等）
• 唯一性： 每个字符（或可组合字符的一部分）都被分配一个唯一的码点。这个码点是一个数字（通常表示为U+XXXX，其中XXXX是4-6位的十六进制数）
  • U+0041 = 拉丁大写字母 ‘A’
  • U+4E2D = 汉字 ‘中’
  • U+1F600 = 笑脸表情符号 😀
• 无歧义： 一个码点永远只对应一个字符（语义上），反之亦然（理想情况下）

编码空间与平面

• Unicode的理论编码空间是21位（从U+0000到U+10FFFF），总计超过100万个可能的码点
• 这个空间被划分为17个平面，每个平面包含65,536（2^16）个码点
• 基本多语言平面BMP是最重要的，包含了世界上最常用的字符（U+0000到U+FFFF）
• 其他平面用于辅助文字、历史文字、特殊符号、私人使用区等

Unicode的实现：编码形式

• Unicode字符集定义了字符和码点的映射关系，但它本身不规定字符在计算机中的存储方式（即编码方案）
• 常见编码包括：
  • UTF-8：最常用；可变长度（1–4 字节）；兼容 ASCII；在互联网上使用最广泛
  • UTF-16：可变长度（2 或 4 字节）；Windows 系统常用
  • UTF-32：固定长度（4 字节）；适合需要快速随机访问的系统

五、UTF-32、UTF-16（字符编码）

1、UTF-32编码方式

• UTF-32是一种固定长度的Unicode编码方案，每个字符始终使用32位（4字节）表示
• 编码方式：直接将Unicode字符的码点转换为32位二进制整数存储
  • 字符"A"（U+0041）的UTF-32编码为0x00000041
  • 汉字"啊"（U+554A）的UTF-32编码为0x0000554A
• 码点范围：覆盖Unicode全部码点（U+0000至U+10FFFF），实际仅需21位，高位补0

2、UTF-16编码方式

• UTF-16是一种变长的Unicode字符编码方式，它使用2字节或4字节来表示一个字符
• 对于位于基本多语言平面BMP（U+0000-U+FFFF）的字符，UTF-16使用一个16位的代码单元来表示
  • 字符“A”（U+0041）的UTF-16编码为0041
  • 字符“你”（U+4F60）的UTF-16编码为4F60
• 对于位于辅助平面（U+10000-U+10FFFF）的字符，UTF-16需要使用两个16位的代码单元（称为代理对）来表示
  • 假设计算Unicode码点U+1F60A（😊表情符号）对应的代理对
  • 将Unicode码点减去0x10000（0x1F60A - 0x10000 = 0xF60A）
  • 将计算结果0xF60A转为二进制20位，不够前面补0，分为两部分，高10位0x3D和低10位0x20A
  • 将高10位与0xD800相加，得到高位代理（0x3D + 0xD800 = 0xD83D）
  • 将低10位与0xDC00相加，得到低位代理（0x20A + 0xDC00 = 0xDE0A）
  • 最终 😊 = U+1F60A = 0xD83D 0xDE0A

3、字节顺序标记（BOM）

UTF-16 和 UTF-32 都是多字节编码（每个代码单元占用 2 或 4 个字节），因此在存储或传输时，字节顺序（大小端）至关重要。这就是字节顺序标记（BOM）存在的原因。

字节顺序

• 大端（Big-Endian, BE）：高位字节在前，低位字节在后（类似人类读书方式，先左后右）
  • 例如：字符 U+4E2D (中) 的 UTF-16BE 编码：4E 2D
• 小端（Little-Endian, LE）：低位字节在前，高位字节在后（就是大端的倒序）
  • 例如：字符 U+4E2D (中) 的 UTF-16LE 编码：2D 4E

字节顺序标记BOM

• BOM（Byte Order Mark） 是一段特定的字节序列，出现在文本文件开头
• 用于指示文件的字节顺序（大端序或小端序）
  • UTF-16大端BOM为0xFE 0xFF
  • UTF-16小端BOM为0xFF 0xFE
  • UTF-32大端BOM为0x00 0x00 0xFE 0xFF
  • UTF-32大端BOM为0x00 0x00 0xFE 0xFF

总结对比表

大小端作用对比

• 大端注重“人类可读性”和标准化（通信、协议）
• 小端注重“计算机效率”和实际处理便利（内存、CPU）

六、UTF-8（字符编码）

UTF-8（8-bit Unicode Transformation Format）是Unicode字符集的一种可变长度字符编码，能够表示Unicode标准中的任何字符（覆盖范围U+0000至U+10FFFF）。

UTF-8 针对不同的 Unicode 字符的编码规则如下：

不同字符通过 UTF-8 编码之后，存储在计算机中的内容用1~4字节来存储，计算机通过不同字节不同前缀区分（上图二进制红色固定前缀）

字节分配规则：ASCII字符用1字节（U+0000~U+007F），希腊字母等用2字节（U+0080~U+07FF），中文字符用3字节（U+0800~FFFF），生僻字符用4字节（U+10000以上）

UTF-8编码方式

• 以汉字'中'为例，Unicode码点U+6C49转为10进制：20013
• 码点 20013 属于 2048 ~ 65535 范围，编码之后需要用3字节存储
• 将码点转换为二进制，20013 —> 01001110 00101101（空缺位置用0填充，凑到8bit的整数倍）
• 最终存储在计算机中的内容用3字节存储，其十六进制形式是0xE4 0xB8 0xAD