不論你是有著多年經(jīng)驗(yàn)的 Python 老司機(jī)還是剛?cè)腴T Python 不久，你一定遇到過UnicodeEncodeError、UnicodeDecodeError 錯誤，每當(dāng)遇到錯誤我們就拿著 encode、decode 函數(shù)翻來覆去的轉(zhuǎn)換，有時(shí)試著試著問題就解決了，有時(shí)候怎么試都沒轍，只有借用 Google 大神幫忙，但似乎很少去關(guān)心問題的本質(zhì)是什么，下次遇到類似的問題重蹈覆轍，那么你有沒有想過一次性徹底把 Python 字符編碼給搞懂呢？

完全理解字符編碼 與 Python 的淵源前，我們有必要把一些基礎(chǔ)概念弄清楚，雖然有些概念我們每天都在接觸甚至在使用它，但并不一定真正理解它。比如：字節(jié)、字符、字符集、字符碼、字符編碼。

字節(jié)

字節(jié)（Byte）是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)存儲的基本單元，一字節(jié)等于一個8位的比特，計(jì)算機(jī)中的所有數(shù)據(jù)，不論是保存在磁盤文件上的還是網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（文字、圖片、視頻、音頻文件）都是由字節(jié)組成的。

字符

你正在閱讀的這篇文章就是由很多個字符（Character）構(gòu)成的，字符一個信息單位，它是各種文字和符號的統(tǒng)稱，比如一個英文字母是一個字符，一個漢字是一個字符，一個標(biāo)點(diǎn)符號也是一個字符。

字符集

字符集（Character Set）就是某個范圍內(nèi)字符的集合，不同的字符集規(guī)定了字符的個數(shù)，比如 ASCII 字符集總共有128個字符，包含了英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號和控制符。而 GB2312 字符集定義了7445個字符，包含了絕大部分漢字字符。

字符碼

字符碼（Code Point）指的是字符集中每個字符的數(shù)字編號，例如 ASCII 字符集用 0-127 連續(xù)的128個數(shù)字分別表示128個字符，例如 "A" 的字符碼編號就是65。

字符編碼

字符編碼（Character Encoding）是將字符集中的字符碼映射為字節(jié)流的一種具體實(shí)現(xiàn)方案，常見的字符編碼有 ASCII 編碼、UTF-8 編碼、GBK 編碼等。某種意義上來說，字符集與字符編碼有種對應(yīng)關(guān)系，例如 ASCII 字符集對應(yīng) 有 ASCII 編碼。ASCII 字符編碼規(guī)定使用單字節(jié)中低位的7個比特去編碼所有的字符。例如"A" 的編號是65，用單字節(jié)表示就是0×41，因此寫入存儲設(shè)備的時(shí)候就是b'01000001'。

編碼、解碼

編碼的過程是將字符轉(zhuǎn)換成字節(jié)流，解碼的過程是將字節(jié)流解析為字符。

理解了這些基本的術(shù)語概念后，我們就可以開始討論計(jì)算機(jī)的字符編碼的演進(jìn)過程了。

從 ASCII 碼說起

說到字符編碼，要從計(jì)算機(jī)的誕生開始講起，計(jì)算機(jī)發(fā)明于美國，在英語世界里，常用字符非常有限，26個字母（大小寫）、10個數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號、控制符，這些字符在計(jì)算機(jī)中用一個字節(jié)的存儲空間來表示綽綽有余，因?yàn)橐粋€字節(jié)相當(dāng)于8個比特位，8個比特位可以表示256個符號。于是美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ANSI制定了一套字符編碼的標(biāo)準(zhǔn)叫 ASCII(American Standard Code for Information Interchange)，每個字符都對應(yīng)唯一的一個數(shù)字，比如字符 "A" 對應(yīng)數(shù)字是65，"B" 對應(yīng) 66，以此類推。最早 ASCII 只定義了128個字符編碼，包括96個文字和32個控制符號，一共128個字符只需要一個字節(jié)的7位就能表示所有的字符，因此 ASCII 只使用了一個字節(jié)的后7位，剩下最高位1比特被用作一些通訊系統(tǒng)的奇偶校驗(yàn)。下圖就是 ASCII 碼字符編碼的十進(jìn)制、二進(jìn)制和字符的對應(yīng)關(guān)系表

擴(kuò)展的 ASCII：EASCII(ISO/8859-1)

然而計(jì)算機(jī)慢慢地普及到其他西歐地區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)還有很多西歐字符是 ASCII 字符集中沒有的，顯然 ASCII 已經(jīng)沒法滿足人們的需求了，好在 ASCII 字符只用了字節(jié)的7位 0×00~0x7F 共128個字符，于是他們在 ASCII 的基礎(chǔ)上把原來的7位擴(kuò)充到8位，把0×80-0xFF這后面的128個數(shù)字利用起來，叫 EASCII ，它完全兼容ASCII，擴(kuò)展出來的符號包括表格符號、計(jì)算符號、希臘字母和特殊的拉丁符號。然而 EASCII 時(shí)代是一個混亂的時(shí)代，各個廠家都有自己的想法，大家沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，他們各自把最高位按照自己的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了自己的一套字符編碼標(biāo)準(zhǔn)，比較著名的就有 CP437， CP437 是 始祖IBM PC、MS-DOS使用的字符編碼，如下圖：

眾多的 ASCII 擴(kuò)充字符集之間互不兼容，這樣導(dǎo)致人們無法正常交流，例如200在CP437字符集表示的字符是 È ，在 ISO/8859-1 字符集里面顯示的就是 ╚，于是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）及國際電工委員會（IEC）聯(lián)合制定的一系列8位字符集的標(biāo)準(zhǔn)ISO/8859-1(Latin-1)，它繼承了 CP437 字符編碼的128-159之間的字符，所以它是從160開始定義的，ISO-8859-1在 CP437 的基礎(chǔ)上重新定義了 160~255之間的字符。

多字節(jié)字符編碼 GBK

ASCII 字符編碼是單字節(jié)編碼，計(jì)算機(jī)進(jìn)入中國后面臨的一個問題是如何處理漢字，對于拉丁語系國家來說通過擴(kuò)展最高位，單字節(jié)表示所有的字符已經(jīng)綽綽有余，但是對于亞洲國家來說一個字節(jié)就顯得捉襟見肘了。于是中國人自己弄了一套叫 GB2312的雙字節(jié)字符編碼，又稱GB0，1981 由中國國家標(biāo)準(zhǔn)總局發(fā)布。GB2312 編碼共收錄了6763個漢字，同時(shí)他還兼容 ASCII，GB 2312的出現(xiàn)，基本滿足了漢字的計(jì)算機(jī)處理需要，它所收錄的漢字已經(jīng)覆蓋中國大陸99.75%的使用頻率，不過 GB2312 還是不能100%滿足中國漢字的需求，對一些罕見的字和繁體字 GB2312 沒法處理，后來就在GB2312的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了一種叫 GBK 的編碼，GBK 不僅收錄了27484個漢字，同時(shí)還收錄了藏文、蒙文、維吾爾文等主要的少數(shù)民族文字。同樣 GBK 也是兼容 ASCII 編碼的，對于英文字符用1個字節(jié)來表示，漢字用兩個字節(jié)來標(biāo)識。

Unicode 的問世

GBK僅僅只是解決了我們自己的問題，但是計(jì)算機(jī)不止是美國人和中國人用啊，還有歐洲、亞洲其他國家的文字諸如日文、韓文全世界各地的文字加起來估計(jì)也有好幾十萬，這已經(jīng)大大超出了ASCII 碼甚至GBK 所能表示的范圍了，雖然各個國家可以制定自己的編碼方案，但是數(shù)據(jù)在不同國家傳輸就會出現(xiàn)各種各樣的亂碼問題。如果只用一種字符編碼就能表示地球甚至火星上任何一個字符時(shí)，問題就迎刃而解了。是它，是它，就是它，我們的小英雄，統(tǒng)一聯(lián)盟國際組織提出了Unicode 編碼，Unicode 的學(xué)名是"Universal Multiple-Octet Coded Character Set"，簡稱為UCS。它為世界上每一種語言的每一個字符定義了一個唯一的字符碼，Unicode 標(biāo)準(zhǔn)使用十六進(jìn)制數(shù)字表示，數(shù)字前面加上前綴 U+，比如字母『A』的Unicode編碼是 U+0041，漢字『中』的Unicode 編碼是U+4E2D

Unicode有兩種格式：UCS-2和UCS-4。UCS-2就是用兩個字節(jié)編碼，一共16個比特位，這樣理論上最多可以表示65536個字符，不過要表示全世界所有的字符顯示65536個數(shù)字還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不過，因?yàn)楣鉂h字就有近10萬個，因此Unicode4.0規(guī)范定義了一組附加的字符編碼，UCS-4就是用4個字節(jié)（實(shí)際上只用了31位，最高位必須為0）。理論上完全可以涵蓋一切語言所用的符號。

Unicode 的局限

但是 Unicode 有一定的局限性，一個 Unicode 字符在網(wǎng)絡(luò)上傳輸或者最終存儲起來的時(shí)候，并不見得每個字符都需要兩個字節(jié)，比如字符“A“，用一個字節(jié)就可以表示的字符，偏偏還要用兩個字節(jié)，顯然太浪費(fèi)空間了。

第二問題是，一個 Unicode 字符保存到計(jì)算機(jī)里面時(shí)就是一串01數(shù)字，那么計(jì)算機(jī)怎么知道一個2字節(jié)的Unicode字符是表示一個2字節(jié)的字符呢，例如“漢”字的 Unicode 編碼是 U+6C49，我可以用4個ascii數(shù)字來傳輸、保存這個字符；也可以用utf-8編碼的3個連續(xù)的字節(jié)E6 B1 89來表示它。關(guān)鍵在于通信雙方都要認(rèn)可。因此Unicode編碼有不同的實(shí)現(xiàn)方式，比如：UTF-8、UTF-16等等。Unicode就像英語一樣，做為國與國之間交流世界通用的標(biāo)準(zhǔn)，每個國家有自己的語言，他們把標(biāo)準(zhǔn)的英文文檔翻譯成自己國家的文字，這是實(shí)現(xiàn)方式，就像utf-8。

具體實(shí)現(xiàn)：UTF-8

UTF-8（Unicode Transformation Format）作為 Unicode 的一種實(shí)現(xiàn)方式，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，它是一種變長的字符編碼，可以根據(jù)具體情況用1-4個字節(jié)來表示一個字符。比如英文字符這些原本就可以用 ASCII 碼表示的字符用UTF-8表示時(shí)就只需要一個字節(jié)的空間，和 ASCII 是一樣的。對于多字節(jié)（n個字節(jié)）的字符，第一個字節(jié)的前n為都設(shè)為1，第n+1位設(shè)為0，后面字節(jié)的前兩位都設(shè)為10。剩下的二進(jìn)制位全部用該字符的unicode碼填充。

以『好』為例，『好』對應(yīng)的 Unicode 是597D，對應(yīng)的區(qū)間是 0000 0800--0000 FFFF，因此它用 UTF-8 表示時(shí)需要用3個字節(jié)來存儲，597D用二進(jìn)制表示是： 0101100101111101，填充到 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 得到 11100101 10100101 10111101，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制是 e5a5bd，因此『好』的 Unicode 碼 U+597D 對應(yīng)的 UTF-8 編碼是 "E5A5BD"。你可以用 Python 代碼來驗(yàn)證：

>>> a = u"好" 
>>> a 
u'\u597d' 
>>> b = a.encode('utf-8') 
>>> len(b) 
3 
>>> b 
'\xe5\xa5\xbd' 

現(xiàn)在總算把理論說完了。再來說說 Python 中的編碼問題。Python 的誕生時(shí)間比 Unicode 要早很多，Python2 的默認(rèn)編碼是ASCII，正因?yàn)槿绱?，才?dǎo)致很多的編碼問題。

>>> import sys 
>>> sys.getdefaultencoding() 
'ascii' 

所以在 Python2 中，源代碼文件必須顯示地指定編碼類型，否則但凡代碼中出現(xiàn)有中文就會報(bào)語法錯誤

# coding=utf-8 
或者是： 
# -*- coding: utf-8 -*- 

Python2 字符類型

在 python2 中和字符串相關(guān)的數(shù)據(jù)類型有 str 和 unicode 兩種類型，它們繼承自 basestring，而 str 類型的字符串的編碼格式可以是 ascii、utf-8、gbk等任何一種類型。

對于漢字『好』，用 str 表示時(shí)，它對應(yīng)的 utf-8 編碼 是'\xe5\xa5\xbd'，對應(yīng)的 gbk 編碼是 '\xba\xc3'，而用 unicode 表示時(shí)，他對應(yīng)的符號就是u'\u597d'，與u"好" 是等同的。

str 與 unicode 的轉(zhuǎn)換

在 Python 中 str 和 unicode 之間是如何轉(zhuǎn)換的呢？這兩種類型的字符串之間的轉(zhuǎn)換就是靠decode 和 encode 這兩個函數(shù)。encode 負(fù)責(zé)將unicode 編碼成指定的字符編碼，用于存儲到磁盤或傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。而 decode 方法是根據(jù)指定的編碼方式解碼后在應(yīng)用程序中使用。

 #從unicode轉(zhuǎn)換到str用 encode 
 
>>> b  = u'好' 
>>> c = b.encode('utf-8') 
>>> type(c) 
<type 'str'> 
>>> c 
'\xe5\xa5\xbd' 
 
#從str類型轉(zhuǎn)換到unicode用decode 
 
>>> d = c.decode('utf-8') 
>>> type(d) 
<type 'unicode'> 
>>> d 
u'\u597d' 

UnicodeXXXError 錯誤的原因

在字符編碼轉(zhuǎn)換操作時(shí)，遇到最多的問題就是 UnicodeEncodeError 和 UnicodeDecodeError 錯誤了，這些錯誤的根本原因在于 Python2 默認(rèn)是使用 ascii 編碼進(jìn)行 decode 和 encode 操作，例如：

case 1

>>> s = '你好' 
>>> s.decode() 
Traceback (most recent call last): 
  File "<stdin>", line 1, in <module> 
UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128) 

當(dāng)把 s 轉(zhuǎn)換成 unicode 類型的字符串時(shí)，decode 方法默認(rèn)使用 ascii 編碼進(jìn)行解碼，而 ascii 字符集中根本就沒有中文字符『你好』，所以就出現(xiàn)了 UnicodeDecodeError，正確的方式是顯示地指定 UTF-8 字符編碼。

>>> s.decode('utf-8') 
u'\u4f60\u597d' 

同樣地道理，對于 encode 操作，把 unicode字符串轉(zhuǎn)換成 str類型的字符串時(shí)，默認(rèn)也是使用 ascii 編碼進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換的，而 ascii 字符集找不到中文字符『你好』，于是就出現(xiàn)了UnicodeEncodeError 錯誤。

>>> a = u'你好' 
>>> a.encode() 
Traceback (most recent call last): 
  File "<stdin>", line 1, in <module> 
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128) 

case 2

str 類型與 unicode 類型的字符串混合使用時(shí)，str 類型的字符串會隱式地將 str 轉(zhuǎn)換成 unicode字符串，如果 str字符串是中文字符，那么就會出現(xiàn)UnicodeDecodeError 錯誤，因?yàn)?python2 默認(rèn)會使用 ascii 編碼來進(jìn)行 decode 操作。

>>> s = '你好'  # str類型 
>>> y = u'python'  # unicode類型 
>>> s + y    # 隱式轉(zhuǎn)換，即 s.decode('ascii') + u 
Traceback (most recent call last): 
  File "<stdin>", line 1, in <module> 
UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128) 

正確地方式是顯示地指定 UTF-8 字符編碼進(jìn)行解碼

>>> s.decode('utf-8') +y 
u'\u4f60\u597dpython' 

亂碼

所有出現(xiàn)亂碼的原因都可以歸結(jié)為字符經(jīng)過不同編碼解碼在編碼的過程中使用的編碼格式不一致，比如：

# encoding: utf-8 
 
>>> a='好' 
>>> a 
'\xe5\xa5\xbd' 
>>> b=a.decode("utf-8") 
>>> b 
u'\u597d' 
>>> c=b.encode("gbk") 
>>> c 
'\xba\xc3' 
>>> print c 
�� 

utf-8編碼的字符‘好’占用3個字節(jié)，解碼成Unicode后，如果再用gbk來解碼后，只有2個字節(jié)的長度了，最后出現(xiàn)了亂碼的問題，因此防止亂碼的最好方式就是始終堅(jiān)持使用同一種編碼格式對字符進(jìn)行編碼和解碼操作。