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關于編碼的那些事——前端應該了解的字符編碼

作者：ELab.qiaogang
開發(fā) 前端
數(shù)據(jù)庫存儲時使用了不同的表示方式存儲同一含義的字符，會導致檢索失敗。MySQL 存儲時也要考慮使用 utf8mb4_unicode 編碼格式，才能正確存儲表情符。

背景

工作中我們會不會遇到以下問題：

  • 可能你知道 JavaScript 中 '??'.length = 2，但 '????????'.length 呢？可以自行實驗下，思考為何如此
  • 困惑于 Unicode 和 UTF-8 的關系？
  • 學計算機時會遇到這樣的提問：一個漢字是幾個字節(jié)？
  • 讀取二進制數(shù)據(jù)時，為何有大端序小端序的分別？
  • 為何 UTF-8 文件最好存儲為無 BOM 頭格式？
  • 數(shù)據(jù)亂碼時總會看到“錕斤拷”、“燙燙燙”，這是什么鬼？

這些問題都涉及計算機中基礎的知識點：字符集及字符編碼的概念，希望通過這篇文章可以讓你徹底清晰的理解這些問題。

字符集與字符編碼

首先通過 wiki 中關于字符編碼(Character_encoding)的定義來引入幾個概念：

Character encoding is the process of assigning numbers to graphical characters, especially the written characters of human language, allowing them to be stored, transmitted, and transformed using digital computers.

The numerical values that make up a character encoding are known as "code points" and collectively comprise a "code space", a "code page", or a "character map".

字符編碼是將數(shù)字分配給圖形字符的過程，特別是人類語言的書寫字符，使它們能夠使用計算機進行存儲、傳輸和轉換。組成字符編碼的數(shù)值稱為“碼位”，它們共同組成“代碼空間”、“代碼頁”或“字符映射”。

這里所說的代碼頁（Code Page）其實就可以理解為編碼字符集（coded character set），如 Unicode、GBK 字符集等。

簡單來說，字符編碼就是將字符映射為固定的碼位值，存儲在對應的編碼字符集中。在不同的字符集中，同一個字符的碼位不同。其中碼位也有翻譯成碼點或者內碼。

ASCII 字符集

我們知道在計算機存儲數(shù)據(jù)時要使用二進制進行表示。而最初計算機只在美國使用，因此人們要考慮如何使用二進制來表達 52 個英文字母(包括大小寫)、阿拉伯數(shù)字(0-9)以及常用的符號(如! @ # $ 等)。

于是便有從電報碼發(fā)展而來的 ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美國信息交換標準代碼）(發(fā)音 /??ski/)編碼。它定義了英文字符和二進制的對應關系，一直沿用至今。

它采用了單字節(jié)編碼方案（SBCS） ，一個字節(jié)的首位 bit 為 0，用其余 7 個 bit 來表示 128 個字符（范圍 0x00-0x7F）

  • 其中 0-31 和 127 (0x00-0x1F 和 0x7F) 為控制字符，共 33 個。這些字符是不可見的，用于進行終端的換行、響鈴、刪除等動作。
  • 32-126 (0x20-0x7E) 位可見字符，共 95 個，存儲了空格、0-9 十個阿拉伯數(shù)字、52 個大小寫英文字母，以及標點、運算符號等。

雖然現(xiàn)代英語使用 128 個字符就足夠了，但表示其他語言就遠遠不夠了。因此當 ASCII 進入歐洲后，又被擴展為了 EASCII(Extended ASCII)，將 7 bit 擴展為 8 bit，并且前 127 個編碼含義和 ASCII 保持一致。

  • 但 256 個字符依舊無法解決眾多使用拉丁字母的語言（主要是歐洲語言）問題。于是又擴展出了 15 個 ISO 8859 字符集。舉幾個字符集作為了解

ISO/IEC 8859-1 (Latin-1) - 西歐語言

ISO/IEC 8859-2 (Latin-2) - 中歐語言

ISO/IEC 8859-3 (Latin-3) - 南歐語言

ISO/IEC 8859-4 (Latin-4) - 北歐語言

...

中文字符集

前面講到拉丁文所使用是 ASCII 和 EASCII，但在亞洲——主要是中日韓(CJK)——光常用漢字就 6000 多個，而漢字總共有 5、6 萬之多，單靠一個字節(jié)是遠遠沒辦法做到的。因此聰明的中國人（也可能是日本人）就想到使用雙字節(jié)編碼（DBCS） 來表示一個漢字，這樣理論上 2 個字節(jié)可以表達 65535 個字符（當然很理論，實際上要少很多）。這樣就可以表示大部分常用字符了，接下來就要講到和中文有關的 GB 系列（如 GB2312、GBK、GB18030）的字符集了。

其實 GB 就是“國標”漢語拼音的首字母，而 GBK 就是“國標擴展”的意思，而 GB18030 是在保留 GBK 編碼基礎上再度擴展為可變的 4 字節(jié)編碼空間的編碼規(guī)范。

這里我們著重介紹下 GB2312 的編碼結構。

GB/T 2312

GB2312 全稱《信息交換用漢字編碼字符集·基本集》，收錄了 6763 個漢字，682 個拉丁、希臘、日文假名等字符。就將其中漢字覆蓋了大陸 99.75% 的使用頻率，足夠大部分的場景使用的。

同時還把 ASCII 中標點符號、阿拉伯數(shù)字、英文字符用雙字節(jié)收錄在內，這里為了區(qū)別于 ASCII 中的字符，就將其做成了與漢字等寬的正方型效果（即拉丁字母的兩倍寬），以表示和編碼存儲方式一一對應。因為字符編碼和字寬的對應關系，我們這就稱這類字符為「全角」字符，而 ASCII 中的字符則為「半角」字符。（這種叫法源于日本，因為在日本中“角”有“方塊”的意思）

接下來看看如何編碼的。規(guī)范將收錄的漢字分成 94 個區(qū)，每個區(qū)又包含 94 個漢字，用所在的區(qū)位來表示一個字符（這種方法也稱為區(qū)位碼） 。每個字符用 2 個字節(jié)表示，其中第一個字節(jié)稱為「高位字節(jié)」表示分區(qū)號，第二個字節(jié)稱為「低位字節(jié)」表示區(qū)段內的碼位。另外實際 GB2312 僅用了 87 個區(qū)，88-94 區(qū)保留待擴展。

為了避開 ASCII 中前面的 31 個不可見控制符和空格，在區(qū)位碼基礎上 +32（0x20），這樣獲得的編碼就稱為 ISO-2022 國標碼。

但是實際使用時，英文字符和漢字混用的情況很常見，國標碼僅避讓開了控制字符，依然和 ASCII 的英文字符有重合，因此決定在國標碼的基礎上將單字節(jié)的最高位 bit 存為 1，即在國標碼上 +128（0x80），也就是區(qū)位碼上 +160 （0xA0），這樣就完美的避讓開了 ASCII 字符區(qū)間。這樣種編碼就叫做 EUC-CN 機內碼。

EUC-CN 機內碼 = 區(qū)位碼 + 160

而目前 GB2312 所采用的就是 EUC 這種主流編碼方式，以便于兼容 ASCII 碼。同時也可以根據(jù)最高位 bit 來判斷是讀取 1 個字符（ASCII）還是 2 個字符來進行解析。在 GB2312 內，高位字節(jié)范圍 0xA1-0xF7（01-87 區(qū)+160 或 0xA0），低位字節(jié)范圍 0xA1-0xFE（01-94 + 160 或 0xA0）。

以“節(jié)”為例：

  • 區(qū)位碼是 29-58
  • EUC 編碼就是 <29+160, 58+160> = <189, 218>，
  • 十六進制就是 <0xBD, 0xDA>。

GBK/GB18030

但是新的問題來了，GB2312 僅收入了 6763 個常用的漢字，一些在標準推出以后的簡化字（如 啰）、港澳臺使用的的繁體字、某些領導人的名字（朱镕基的镕），以及各地區(qū)戶籍中用到奇奇怪怪的名字、古籍中的漢字都沒法正確表示。因此在 GB2312 的基礎上又擴展出了 GBK 和 GB18030，并且向下兼容（嚴格來講 GB18030 完全兼容 GB2312,基本兼容 GBK）。

GBK 的基本原理就是繼續(xù)擴展了 GB2312 中未使用的雙字節(jié)空間，字符多達 23940 個。而 GB18030 則更為激進，干脆將存儲空間變成可變的 1、2、4 字節(jié)，理論上可以存儲 161 萬個字符，完全涵蓋 Unicode 范圍。同時 GB18030 還收錄了中日韓、繁體字、少數(shù)民族文字等多種語言。

Big5

于此同時，海峽對岸的程序員也發(fā)明出了一套自己的繁體中文標準，由于起初項目名稱是「五大中文套裝軟件」，因此稱為 Big5，也叫大五碼。記得當年想要玩中國臺灣“流入”的游戲，MagicWin 這類的轉碼軟件是裝機必備。

Unicode 字符集

隨著世界各個地區(qū)編碼方式越來越多，給不同地區(qū)間數(shù)據(jù)傳輸造成非常大的困難，比如一個從中國發(fā)送到日本郵件的，在不知道其編碼的情況下，就會出現(xiàn)亂碼。因此終于有人開始想用一種更加通用的方案，來涵蓋世界上所有的字符和符號——這就是 Unicode，如其名字本身的含義一樣。

首先 Unicode 也采用了 16 位的編碼空間，即 2 個字節(jié)表示一個字符，用 "U+"接 4 個十六進制數(shù)字表示（例如U+4AE0），每個字符分配一個唯一的「碼點」（CodePoint，也稱碼位）。同時又定義了 17 個編組，每組稱為一個「平面」（Plane）。這樣字符范圍從 0x00000 - 0x10FFFF，這樣就可以最多表示 17 * 65536 也就是 100多萬個字符，完全可以存儲全世界所有的語言和符號了。

這其中將常用的字符存放在第一個編組，即 0 號平面（Plane 0），也稱之為「基本多文種平面 」（BMP - Basic Multilingual Plane），其范圍是 0x0000 - 0xFFFF 。而 1-16 號平面被稱為「輔助平面」（Supplementary Planes），用于存儲很少使用的文字或者圖形符號（emoji 表情符號就存于這些平面），其范圍是 0x10000-0x10FFFF。

圖片圖片

Unicode 字符表的范圍涵蓋的字符和符號非常廣，不僅收錄了表情符號、麻將、音樂符號等表意符號外，還收錄了一些早已不再使用的文字，比如甲骨文、古埃及的圣書體，甚至收錄了為影視劇而創(chuàng)造的語言——克林貢語。并且還在持續(xù)更新中，截止此文完成，最近的一次更新是在2022年9月。

但是這里有個比較嚴重的問題：

  1. 不同碼位的字符使用不同的字符長度，但計算機無法知道到底是按照 2 個還是 4 個字符解析；
  2. 即便只使用英文字符前一個字節(jié)也必須是 0，嚴重浪費了空間。

由于這個問題導致 Unicode 的在初期完全沒法推廣，直到互聯(lián)網(wǎng)的普及，急需一種對 Unicode 字符的編碼方式出現(xiàn)，這就是 ****UTF（Unicode Transformation Format）。在 UTF 中又出現(xiàn)了 UTF-8、UTF-16、UTF-32 這些不同的編碼方式。

UTF-32

首先人們想到的就是干脆所有字符直接用 4 個字節(jié)存儲，不足 4 位的就補 0 代替。但是這樣簡單粗暴，尤其僅使用英文的數(shù)據(jù)，會造成了空間的極大浪費。

比如拉丁字母 A 的 Unicode 碼點為 U+0065，十六進制為 0x41，如果使用 UTF-32 編碼就是 0x00000041。

于是人們又開始設計一種可以節(jié)省空間的編碼方式——UTF-8。

UTF-8

UTF-8 最大的特點是可變長編碼，它使用 1-4 個字節(jié)表示一個字符。它的編碼方式如下：

  1. 由于 Unicode 在 0+0000-0+007F 范圍和 ASCII 完全相同，因此使用單字節(jié)表示，這樣 ASCII 和 UTF-8 的編碼一樣，是完全兼容的。
  2. 在大于 0+007F 的字符時，是由 1 個前導字節(jié)（leading bytes）和 n 個（n >=1 ）尾字節(jié)（trailing bytes）的多字節(jié)結構組成。前導字節(jié)從最左側起用 1來表示這個字符有多少位，直到遇到 0 為止。尾字節(jié)前兩位都是 10，其余的 bit 位就是可用編碼空間。
  1. 比如，第一個字節(jié)是 0xxxxxxx，就表示該字符只有 1 個字節(jié)；
  2. 第一個字節(jié)是 110xxxxx，表示該字符有 2 個字節(jié)，第二個字節(jié)是 10xxxxx；
  3. 第一個字符是 1110xxxx，表示該字符有 3 個字節(jié)，后面字節(jié)分別是 10xxxxx 10xxxxx；
  4. 第一個字節(jié)是 11110xxx，表示該字節(jié)有 4 個字節(jié)，后面字節(jié)分別是 10xxxxx 10xxxxx 10xxxxx。

這里 x 就表示可用的編碼空間，這也就是 UTF-8 中 8 表示至少 8 位表示一個字符，同時也是以 8 位為一組實現(xiàn)可變字節(jié)的編碼方式。（這里之所以跳過了 10xxxxxx，是因為 10 表示尾字節(jié)）

以下就是完整編碼方式，當然 5、6 字節(jié)的編碼方式不會出現(xiàn)，因為已經遠超 Unicode 最大碼點范圍 U+10FFFF 了。

圖片圖片

接下來我們用“兔” 和 emoji “??” 來舉例，來說明下 UTF-8 是如何編碼的。

兔：

  1. 碼點為 U+5154
  2. 二進制表示為 101000101010100，
  3. 從末尾按 6 個 bit 分組 101 000101 010100
  4. 需要 3 個字節(jié)，則開頭插入 1110，中間不足 8 位用 0 補足，剩余前面插入 10，則得到 11100101 10000101 10010100
  5. 轉為十六進制，E5 85 94

?? 的 emoji

  1. 碼點為 U+1F430
  2. 二進制為 11111010000110000
  3. 從末尾按 6 個 bit 分組 11111 010000 110000
  4. 第一部分為 5 位，插入 1110 位后占 9 位，超出一個字節(jié)，所以前面補一個字節(jié)，用 4 個字節(jié)表示。不足 8 位的用 0 補足。則得到 11110000 10011111 10010000 10110000
  5. 轉為十六進制，F(xiàn)0 9F 90 B0

由于 JS 中 encodeURI 是按照 UTF-8 進行百分號編碼，因此感興趣的同學可以進行驗證下

encodeURI('兔'); 
// %E5%85%94

encodeURI('??');
// %F0%9F%90%B0

除了相對于 4 字節(jié)編碼更省空間外，UTF-8 編碼還以下比較優(yōu)秀的特性：

  • ASCII 是 UTF-8 的一個子集，一個純 ASCII 字符串也是一個合法的 UTF-8 字符串。因此現(xiàn)存的 ASCII 數(shù)據(jù)可以不經修改即可使用。
  • 單字節(jié)范圍 0x00-0x7F，而多字節(jié)的前導字節(jié)范圍總是在 0xC0-0xFD，尾字節(jié)都在 0x80-0xBF 中，三者完全沒有重疊。通過范圍就可以確定字節(jié)的類型，如果字節(jié)流在傳輸時中斷，不完整的字節(jié)也不會被解碼。這樣數(shù)據(jù)有損壞、丟失，影響的范圍也會很小。試想下，如果有一個按照每 4 個字節(jié)為一組的編碼方法，如果丟失了第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么繼續(xù)按照 4 字節(jié)一組的方式讀取數(shù)據(jù)，后面的數(shù)據(jù)都將無法讀取。
  • 另外由于前導字節(jié)和尾字節(jié)范圍互不重疊，即便從一個字符的某個中間字節(jié)開始讀取，也不會錯把它和下一個字符拼接錯。這種特性也叫自同步碼。比如，“兔子”的編碼為 E5 85 94 / E5 AD 90，你不會錯把 85 94 E5 或者 AD 90 當做一個字符，因為根本不存在這樣規(guī)則的 UTF-8 編碼。
  • 僅通過首字節(jié)就能確定整體字節(jié)長度，而無需等待下一個字節(jié)的讀取。
  • 理論 6 個字節(jié)可以存放 2^31 個字符，即 21 億個字符！即便是 4 字節(jié)也可以存放 200 多萬個字符。其范圍已超 Unicode 的容量了。
  • UTF-8 中未使用 0xFE 和 0xFF。
  • UTF-8 字節(jié)串的排列順序是固定的，和系統(tǒng)無關。沒有字節(jié)序（即是按大端序還是小端序的先后順序）的問題。因此也無需使用 BOM 頭（雖然其 BOM 頭是 0xEF 0xBB 0xBF，但僅表示 UTF-8 編碼格式，不表示字節(jié)順序）。

雖然 UTF-8 有諸多優(yōu)勢，但是也有缺點：

  • 中日韓文字至少需要 3 個字節(jié)存儲，比 GBK 這類雙字節(jié)存儲要多一個字節(jié)。
  • 由于其是變長字節(jié)，一個字符可能是 1、2、3 個字節(jié)，因此當計算一組字節(jié)中包含多少個字符，就要從頭遍歷，才能確定到底有多少個字符。當我們需要獲取指定位置的字符時，依然要從頭遍歷。這也為程序的實現(xiàn)帶來了很大的麻煩。

因此一些程序在內部處理字符串時，就使用了另外一種編碼方式 UTF-16，其中 JavaScript、Python 就使用了這種編碼方式來存儲字符串。

UTF-16

UTF-16 也采用了變長的編碼方式。使用 2 個或者 4 個字節(jié)表示一個字符。其規(guī)則是：

  • 在基本平面 BMP 內（U+0000 至 U+FFFF）的字符用 2 個字節(jié)表示；
  • 在輔助平面內（U+10000 至 U+10FFFF）的字符用 4 個字節(jié)表示。

其中 BMP 的字符直接使用 Unicode 碼點對應即可，比如“兔”的碼點 U+5154，UTF-16 編碼就是 0x5154。

可是 BMP 外，要如何使用 4 個字節(jié)表示呢？假如我們使用 UTF-32 的方式，直接使用碼點映射會遇到什么問題？還以“??”為例，其碼點是 U+1F430。如果直接映射為 0x0001F430，頭 2 個字節(jié) 0x0001 對應的字符在 BMP 中已經存在，這樣在讀取數(shù)據(jù)時就無法區(qū)分到底是按照 2 字節(jié)解析，還是按照 4 個字節(jié)解析了。

幸而在 BMP 中，從 U+D800 到 U+DFFF 是一個永遠保留不做映射的空段，于是 UTF-16 將輔助平面內的字符 —— 共需要 20 個 bit 表示（由 0x10FFFF - 0x100000 = 0xFFFFF 計算得來） —— 拆分成 2 段，前 10 個 bit 位映射到 U+D800 - U+DBFF（正好 1024 個），后 10 個 bit 映射到 0xDC00 - 0xDFFF（也正好 1024 個）。這樣剛好就可以在范圍互不重復的情況下，用 4 個字節(jié)表示一個字符了。

這種用 4 個字節(jié)表示的方式，就被稱作「代理對」（Surrogate Pair），高位的 10 bit 被稱為「前導代理」（lead surrogates），低位 10 bit 被稱為「后尾代理」（trail surrogates）。

其具體的算法如下：

  1. BMP 內字符，直接使用碼點作為對應的字節(jié)，長度為 2 個字節(jié)。
  2. 輔助面內的字符
  1. 碼位減去 0x10000
  2. 高位的 10 bit 的值加上 0xD800 ，得到前導代理
  3. 低位的 10 bit 的值加上 0xDC00 ，得到后尾代理

用公式計算如下

// 高位
H = Math.floor((c-0x10000) / 0x400)+0xD800

// 低位
L = (c - 0x10000) % 0x400 + 0xDC00

我們依舊使用“??”來舉例，看下 UTF-16 是如何進行編碼的

??：

  1. 碼點為 U+1F430
  2. 減去 0x10000，為 0xF430
  3. 二進制為 1111010000110000
  4. 前 10 bit 111101，十六進制 0x3D。后 10 bit 0000110000，十六進制 0x30
  5. 分別加上 0xD800 和 0xDC00，得到 0xD83D 和 0xDC30
  6. 最終得到 D8 3D DC 30

JS 中 escape 方法（已不推薦，這里僅驗證用）返回的就是 UTF-16 編碼，可以進行驗證

escape('??')
// %uD83D%uDC30

同時 ES6 中支持用 Unicode 碼點和 UTF-16 編碼表示一個字符，也可驗證

'\u{1F430}' == '\uD83D\uDC30'
// true

由于前導代理、后尾代理、BMP 中的有效字符的碼位，三者互不重疊，因此在檢查字符時，可以很容易的確定字符的邊界。這也意味著 UTF-16 也是一種自同步的編碼方式，這點和 UTF-8 是一樣的。

UTF-16 相對于 UTF-8 更容易進行隨機訪問和索引，是因為 UTF-16 中每個字符都使用固定的2個或4個字節(jié)表示，因此可以通過簡單的數(shù)學運算來快速計算出每個字符的位置。而 UTF-8 需要解析整個數(shù)據(jù)流才能確定每個字符的位置，這使得 UTF-8 在進行隨機訪問和索引時比 UTF-16 更加復雜和耗時。

UCS-2

在談及 UTF-16 時，通常會涉及到 UCS-2 的概念，這里著重講下兩者的區(qū)別。

UCS-2 是 Universal Character Set coded in 2 octets 的簡稱，由于 1989 年 UCS 標準發(fā)布時，只有 Unicode 基本面字符，因此使用 2 個字節(jié)就可以表示一個字符了。而 1996 年 UTF-16 發(fā)布時，已經擴展出了輔助平面，可使用代理對方式表示輔助平面的字符了，因此 UTF-16 已明確表示是 UCS-2 的超集。所以目前 UCS-2 已經是過時的叫法了，UTF-16 已經取代了 UCS-2 的概念。

如果某個程序說自己支持 UCS-2 可能就意味著僅支持 BMP 內的字符集。

大端序和小端序

將字符轉換為 UTF-16（或 UTF-32） 后，在使用時需要讀取并存儲在內存中。以“乙”字為例，轉成 UTF-16 后，編碼為 0x4E59，需要用 2 個字節(jié)來存儲——0x4E 0x59。

如果 4E 在前，59 在后，我們就稱作為大端序（Big-Endian）

內存地址     內存值 
0x00000000  4E
0x00000001  59

反之 59 在前，4E 在后，就稱之為小端序（Little-Endian）

內存地址     內存值 
0x00000000  59
0x00000001  4E

之所以會有這樣不同的存儲方式，是因為有的系統(tǒng)或者處理器，在處理多字節(jié)數(shù)據(jù)時，會從低位內存地址到高位內存地址的順序讀取數(shù)據(jù)，因此為了保證讀取后數(shù)據(jù)的正確，就采用了不同字節(jié)序（Endianness）的方式。

為了標識一段數(shù)據(jù)的字節(jié)序，通常使用字節(jié)順序標記 （Byte-Order Mark，BOM）來進行標識。通常 BOM 會出現(xiàn)在文件、字節(jié)流的頭部，用來標識接下來數(shù)據(jù)的字節(jié)順序。

在 UTF-16，0xFEFF 表示大端序，0xFFFE 表示小端序。

我們來驗證下，使用 VSCode 安裝 HexEditor 插件，然后新建一個空白文件，輸入“乙”和“??”，然后分別使用兩種編序，通過 HexEditor 查看。

UTF-16 BE

圖片圖片

圖片圖片

UTF-16 LE

另外 UTF-8 也存在 BOM 頭，值為 0xEF 0xBB 0xBF。但它只用來標識文件的編碼方式，而不用來說明字節(jié)順序。因為 UTF-8 本身有著固定的編碼順序，字節(jié)序對于 UTF-8 來說毫無意義。

在實際使用中，也應該盡量避免帶 BOM 頭的 UTF-8，因為 BOM 頭可能會影響一些程序的解析器（如 Unix下的Shebang）的處理。另外由于 UTF-8 是一種稀疏的編碼，很大一部分可能的字符組合不會產生有效的 UTF-8 文本，因此許多程序的在解析 UTF-8 文件時，使用啟發(fā)式的分析方法可以很有把握地檢測出文件是否使用 UTF-8，而無需加入 BOM。

錕斤拷燙燙燙

“錕斤拷”和“燙燙燙”恐怕是程序界中最經典的故事（事故）之一了，了解了前面的編碼知識，就會很容易理解它的由來了。

圖片圖片

錕斤拷

由于 Unicode 字符集在不斷更新中，因此會出現(xiàn) A 系統(tǒng)發(fā)送的字符，在 B 系統(tǒng)中無法識別的情況。于是 Unicode 規(guī)定對于無法識別的字符，一律使用 ?（0xFFFD） （Replacement character） 字符來代替。而 0xFFFD 在 UTF-8 編碼下為 0xEF 0xBF 0xBD，當多 ? 出現(xiàn)時，就會產生連續(xù)的 0xEF 0xBF 0xBD 0xEF 0xBF 0xBD。

如果這些字符又被使用了 GB 編碼的程序中打開，就會按照 GB 雙字節(jié)編碼將其解析。這樣剛好就對應了 「0xEFBF 錕」 ，「0xBDEF 斤」，「0xBFBD 拷」 這幾個字。

燙燙燙

C\C++ 編譯器在 debug 模式下，引入的一種內存保護機制，會給特定的內存賦一個特定的初值。其中未被初始化的棧內存，會被寫入 0XCC。當連續(xù)的 0xCCCC 在 GB 編碼下就是「0xCCCC 燙」了。

當然一千人眼中有一千個哈姆雷特，程序員也是如此。比如中國臺灣是“嚙踝蕭”，而日本是“フフフフフフ”了。

JavaScript 與 Unicode

薛定諤的 length

前面我們提到 JavaScript 中 '??'.length = 2，要說明這個問題之前，先簡單介紹下 JavaScript 與編碼的歷史。

1990 年 UCS-2 編碼發(fā)布，1995 年 JavaScript 誕生，第一個 JS 解釋器被使用，1996 年 UTF-16 發(fā)布。從時間線上來看 JavaScript 解釋器只能采用了 UCS-2 的編碼方式。而 length 統(tǒng)計的是代碼單元而非真正的字符數(shù)量，因此按照 UCS-2 的編碼方式，每個字符由 2 個字節(jié)構成，即兩個 2 字節(jié)組成字符的 length = 1。

而 ?? 是輔助平面的字符，其 UTF-16 的編碼為 D8 3D DE 01，因此 JavaScript 會把它當做 0xD83D 和 0xDE01 兩個字符。這也就是 length = 2 的原因。

除 length 以外，JavaScript 中和字符串處理相關的函數(shù)，大都存在這類問題，如：

var s = "??";

s.length // 2
s.charAt(0) // '\uD83D'
s.charAt(1) // '\uDC30'
s.charCodeAt(0) // 55357
s.charCodeAt(1) // 56368
var s = "??子";

s.substring(1); // '\uDC30子'
s.slice(1); // '\uDC30子'

/^.$/.test('??') // false

ES6 的字符處理

但在 ES6 中，大大增強了對 Unicode 的支持，提供了新的方法解決了以上問題。

  • 為了保持兼容，length 屬性還是原來的行為方式。為了得到字符串的正確長度，可以采用如下的方式
[...str].length;

// or
Array.from(str).length
  • 原 Unicode 表示字符法，僅支持 \uxxxx 的表示，僅支持 \u0000 - \uffff 范圍。如：“兔”也可以用 \u5154 表示
var a = '\u5154';
a == '兔' // true

而超出 \uffff 的部分需要使用雙字節(jié)方式表示，如：“??”需要用 \uD83D\uDC30 表示，而不能用碼位值 \u1F430 表示

var a = ' \uD83D\uDC30';
a == '??' // true

var a = '\u1F430';
// '?0'

而在 ES6 中只要將碼點放入 {} 中，即可正確表示其含義

var a = '\u{1F430}';
// ??
  • ES6 新增了幾個專門處理 4 字節(jié)碼點的函數(shù)，如：

String.fromCodePoint()：從 Unicode 碼點返回對應字符

String.prototype.codePointAt()：從字符返回對應的碼點

String.prototype.at()：返回字符串給定位置的字符

  • ES6 正則提供了 u 修飾符，對正則表達式添加 4 字節(jié)碼點的支持。
// '\u{1F430}'
/^.$/.test('??'); // false

/^.$/u.test('??'); // true

var s = '\u0065\u0323\u0301'; // '??'
/^.$/.test(s); // false
/^.$/u.test(s); // false

length 依舊不準的合成字符

上面解釋了為什么 length=2，是否意味著 length 非 1 即 2 呢？別急，我們運行下 '????????'.length

圖片圖片

居然 length=11，為什么整整齊齊的一家人要這么長？這到底發(fā)生了什么？

要解釋這個問題，就要講到 Unicode 的**合成字符** （combining character）。

在一些語言中，會在字符的上面添加一些符號，以表示不同的發(fā)音或表示不同的含義。例如：漢語拼音有 ā 的音標、ü 上面的兩點，法語和西班牙語中的 é 表示重音，越南國語字中的 ? 表示一個字母。

而在 Unicode 中有兩種表示方法

  1. 使用一個獨立的碼點，例如 ? 的碼點為 U+00D4。
  2. 使用基本字符+**附加符號**組合的方式，如 O 的碼點是 U+004F，揚抑符 ? 的碼點是 U+0302，組合后同樣展示 ?，其表意與第一種相同。
'\u00d4'
// ?

'\u004f\u0302'
// ?

這兩種方式表示雖然在視覺和語義上含義相同，但是在 js 中卻無法理解

'\u004f\u0302' == '\u00d4'
// false

因此在 ES6 中提供了 String.prototype.normalize()，用來將字符的不同表示方法統(tǒng)一為同樣的形式，稱為 Unicode 正規(guī)化（該方法有局限性，后文會講）。

'\u004f\u0302'.normalize() == '\u00d4'
// true

'\u004f\u0302'.normalize().codePointAt(0).toString(16)
// 'd4'

那么回到 '????????'.length 問題上來，這個 emoji 就使用了合成符號表示（這個表情沒有單獨的碼點），其組合是由 7 個 Unicode 組合而成，分別是 ['??', '', '??', '', '??', '', '??']， 使用了 U+ 200D 零寬連字符（Zero-Width Joiner，ZWJ）將四個 emoji 鏈接。

這類表情也被稱為 Emoji ZWJ Sequences 。

圖片圖片

而 ?? ?? ?? ?? 的 length 分別為 2，而零寬連字符的 length 為 1，因此最終 length 就是 24 + 31 = 11。

通過下面的方式也可以驗證其組合

[...'????????']
// ['??', '', '??', '', '??', '', '??']

'\u{1F468}\u{200D}\u{1F469}\u200D\u{1F467}\u200D\u{1F466}'
// ????????

當然這里想通過 normalize() 判斷是否等價是不行的，首先 ???????? 沒有獨立的碼點， 其次該方法目前不能識別三個或三個以上字符的合成。

[...'????????'.normalize()];
// ['??', '', '??', '', '??', '', '??']

// '\u0065\u0323\u0301' => '??'
[...'??'.normalize()]
// ['?', '?']

合成字符的大麻煩

上面提到關于 Unicode 的問題不僅限于 JavaScript，在 Python、Java 等語言中也會遇到。通常這類合成符號在實際開發(fā)中會造成很多棘手的問題。

input 的 maxlength

在設置 input 的 maxLength 屬性時，就會遇到不同瀏覽器的差異。

<input maxlength="10">

Chrome 將 ???????? 粘貼后，會按照 String.prototype.length 進行裁剪，多出的字符會被裁剪掉

圖片圖片

例子在這里

Safari（PC 16.3+Moblie）則會按照實際字符個數(shù)計算

圖片圖片

在華為默認的瀏覽器測試，行為和 Chrome 的相同

圖片圖片

該問題在開發(fā)多語言業(yè)務中，可能會更加明顯（如后臺的字符數(shù)限制、前端展示等）。如果希望正確計算需要使用三方庫，例如：https://github.com/orling/grapheme-splitter （拋磚引玉，未驗證覆蓋情況）。

帶音標的文字

在一些場景下，會有多個附加音標修飾一個字符的情況。例如 '??' 是由字母“e” \u0065、尖音符 “??” ****\u0301 、 下句點 ****“??” \u0323 ****組成。其中后兩個音標的順序可互換， 甚至也可以是 '?' + '?' 或者 'é' + '?' 的組合。

'\u0065\u0301\u0323'; // ??
'\u0065\u0323\u0301'; // ??
'\u1eb9\u0301'; // '?' + '?' 
'\u00e9\u0323'; // 'é' + '?'

圖片圖片

圖片

這時要使用正則匹配字符變得異常復雜。雖然 Unicode 屬性轉義表達式（Unicode property escapes），但可惜的是ES2018 以前的版本并不支持，因此可以考慮使用 XRegExp 來實現(xiàn)。

// 例子在這里
var reg = XRegExp('\pL\pM*', 'g');
XRegExp.match('??', reg);
// ["??"]

其中 \pL 和 \pM 的含義如下：

  • \p{L} or \p{Letter}: any kind of letter from any language，匹配一個字母
  • \p{M} or \p{Mark}: a character intended to be combined with another character (e.g. accents, umlauts, enclosing boxes, etc.). 匹配附加符號

雖然在 ES2018 中引入了 Unicode 屬性轉義符，但在瀏覽端上依然要考慮使用 XRegExp 來實現(xiàn)，當然可以考慮在服務端處理，因為 Python 3.6、Perl 5.24 、Ruby 2.4 、.NET 4.6、Go 10 等已經支持這些表達式了，當然不同語言的支持程度可能略有不同。

數(shù)據(jù)庫中存儲表情

另外在數(shù)據(jù)庫存儲時使用了不同的表示方式存儲同一含義的字符，會導致檢索失敗。MySQL 存儲時也要考慮使用 utf8mb4_unicode 編碼格式，才能正確存儲表情符。

總結

最后關于 Unicode 字符編碼模型，可以概況為四個層級：

  1. 抽象字符庫（ACR, Abstract Character Repertoire）：即要編碼的字符，比如某些字母表和符號集。這一層級會將語言中的字符進行抽象。
  2. 編碼字符集（CCS, Coded Character Set）：從抽象字符庫到一組非負整數(shù)（即代碼點）的映射。這一層級可以理解為字符到 Unicode 碼點映射的過程。
  3. 字符編碼形式（CEF, Character Encoding Form）：從代碼點到特定寬度（比如32-bit整數(shù)）的代碼單元序列的映射。這一層級理解為 UTF-8、UTF-16、UTF-32 的編碼過程。
  4. 字符編碼方案（CES, Character Encoding Scheme）：從代碼單元序列到字節(jié)序列的映射。這一層級就涉及到了如大端序、小端序的設計和存取過程。

參考資料

責任編輯：武曉燕 來源： ELab團隊
前端編碼JavaScrip
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