引言
“字符與編碼”是一個被經(jīng)常討論的話題。即使這樣，時常出現(xiàn)的亂碼仍然困擾著大家。雖然我們有很多的辦法可以用來消除亂碼，但我們并不一定理解這些辦法的內(nèi)在原理。而有的亂碼產(chǎn)生的原因，實際上由于底層代碼本身有問題所導致的。因此，不僅是初學者會對字符編碼感到模糊，有的底層開發(fā)人員同樣對字符編碼缺乏準確的理解。
1. 編碼問題的由來，相關概念的理解
1.1 字符與編碼的發(fā)展
從計算機對多國語言的支持角度看，大致可以分為三個階段：
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系統(tǒng)內(nèi)碼
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說明
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系統(tǒng)
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| 階段一 |
ASCII |
計算機剛開始只支持英語，其它語言不能夠在計算機上存儲和顯示。 |
英文 DOS |
| 階段二 |
ANSI編碼
（本地化） |
為使計算機支持更多語言，通常使用 0x80~0xFF 范圍的 2 個字節(jié)來表示 1 個字符。比如：漢字 '中' 在中文操作系統(tǒng)中，使用 [0xD6,0xD0] 這兩個字節(jié)存儲。
不同的國家和地區(qū)制定了不同的標準，由此產(chǎn)生了 GB2312, BIG5, JIS 等各自的編碼標準。這些使用 2 個字節(jié)來代表一個字符的各種漢字延伸編碼方式，稱為 ANSI 編碼。在簡體中文系統(tǒng)下，ANSI 編碼代表 GB2312 編碼，在日文操作系統(tǒng)下，ANSI 編碼代表 JIS 編碼。
不同 ANSI 編碼之間互不兼容，當信息在國際間交流時，無法將屬于兩種語言的文字，存儲在同一段 ANSI 編碼的文本中。 |
中文 DOS，中文 Windows 95/98，日文 Windows 95/98 |
| 階段三 |
UNICODE
（國際化） |
為了使國際間信息交流更加方便，國際組織制定了 UNICODE 字符集，為各種語言中的每一個字符設定了統(tǒng)一并且唯一的數(shù)字編號，以滿足跨語言、跨平臺進行文本轉(zhuǎn)換、處理的要求。 |
Windows NT/2000/XP，Linux，Java |
字符串在內(nèi)存中的存放方法：
在 ASCII 階段，單字節(jié)字符串使用一個字節(jié)存放一個字符（SBCS）。比如，"Bob123" 在內(nèi)存中為：
| 42 |
6F |
62 |
31 |
32 |
33 |
00 |
|
|
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|
|
|
|
| B |
o |
b |
1 |
2 |
3 |
\0 |
在使用 ANSI 編碼支持多種語言階段，每個字符使用一個字節(jié)或多個字節(jié)來表示（MBCS），因此，這種方式存放的字符也被稱作多字節(jié)字符。比如，"中文123" 在中文 Windows 95 內(nèi)存中為7個字節(jié)，每個漢字占2個字節(jié)，每個英文和數(shù)字字符占1個字節(jié)：
| D6 |
D0 |
CE |
C4 |
31 |
32 |
33 |
00 |
|
|
|
|
|
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| 中 |
文 |
1 |
2 |
3 |
\0 |
在 UNICODE 被采用之后，計算機存放字符串時，改為存放每個字符在 UNICODE 字符集中的序號。目前計算機一般使用 2 個字節(jié)（16 位）來存放一個序號（DBCS），因此，這種方式存放的字符也被稱作寬字節(jié)字符。比如，字符串 "中文123" 在 Windows 2000 下，內(nèi)存中實際存放的是 5 個序號：
| 2D |
4E |
87 |
65 |
31 |
00 |
32 |
00 |
33 |
00 |
00 |
00 |
???? ← 在 x86 CPU 中，低字節(jié)在前
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|
|
|
|
|
|
|
| 中 |
文 |
1 |
2 |
3 |
\0 |
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一共占 10 個字節(jié)。
1.2 字符，字節(jié)，字符串
理解編碼的關鍵，是要把字符的概念和字節(jié)的概念理解準確。這兩個概念容易混淆，我們在此做一下區(qū)分：
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概念描述
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舉例
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| 字符 |
人們使用的記號，抽象意義上的一個符號。 |
'1', '中', 'a', '$', '￥', …… |
| 字節(jié) |
計算機中存儲數(shù)據(jù)的單元，一個8位的二進制數(shù)，是一個很具體的存儲空間。 |
0x01, 0x45, 0xFA, …… |
ANSI
字符串 |
在內(nèi)存中，如果“字符”是以 ANSI 編碼形式存在的，一個字符可能使用一個字節(jié)或多個字節(jié)來表示，那么我們稱這種字符串為 ANSI 字符串或者多字節(jié)字符串。 |
"中文123"
（占7字節(jié)） |
UNICODE
字符串 |
在內(nèi)存中，如果“字符”是以在 UNICODE 中的序號存在的，那么我們稱這種字符串為 UNICODE 字符串或者寬字節(jié)字符串。 |
L"中文123"
（占10字節(jié)） |
由于不同 ANSI 編碼所規(guī)定的標準是不相同的，因此，對于一個給定的多字節(jié)字符串，我們必須知道它采用的是哪一種編碼規(guī)則，才能夠知道它包含了哪些“字符”。而對于 UNICODE 字符串來說，不管在什么環(huán)境下，它所代表的“字符”內(nèi)容總是不變的。
1.3 字符集與編碼
各個國家和地區(qū)所制定的不同 ANSI 編碼標準中，都只規(guī)定了各自語言所需的“字符”。比如：漢字標準（GB2312）中沒有規(guī)定韓國語字符怎樣存儲。這些 ANSI 編碼標準所規(guī)定的內(nèi)容包含兩層含義：
- 使用哪些字符。也就是說哪些漢字，字母和符號會被收入標準中。所包含“字符”的集合就叫做“字符集”。
- 規(guī)定每個“字符”分別用一個字節(jié)還是多個字節(jié)存儲，用哪些字節(jié)來存儲，這個規(guī)定就叫做“編碼”。
各個國家和地區(qū)在制定編碼標準的時候，“字符的集合”和“編碼”一般都是同時制定的。因此，平常我們所說的“字符集”，比如：GB2312, GBK, JIS 等，除了有“字符的集合”這層含義外，同時也包含了“編碼”的含義。
“UNICODE 字符集”包含了各種語言中使用到的所有“字符”。用來給 UNICODE 字符集編碼的標準有很多種，比如：UTF-8, UTF-7, UTF-16, UnicodeLittle, UnicodeBig 等。
2. 字符與編碼在程序中的實現(xiàn)
2.1 程序中的字符與字節(jié)
在 C++ 和 Java 中，用來代表“字符”和“字節(jié)”的數(shù)據(jù)類型，以及進行編碼的方法：
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類型或操作
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C++
|
Java
|
| 字符 |
wchar_t |
char * |
| 字節(jié) |
char |
byte |
| ANSI 字符串 |
char[] |
byte[] |
| UNICODE 字符串 |
wchar_t[] |
String |
| 字節(jié)串→字符串 |
mbstowcs(), MultiByteToWideChar() * |
string = new String(bytes, "encoding") |
| 字符串→字節(jié)串 |
wcstombs(), WideCharToMultiByte() |
bytes = string.getBytes("encoding") |
以上需要注意幾點：
- Java 中的 char 代表一個“UNICODE 字符（寬字節(jié)字符）”，而 C++ 中的 char 代表一個字節(jié)。
- MultiByteToWideChar() 和 WideCharToMultiByte() 是 Windows API 函數(shù)。
2.2 C++ 中相關實現(xiàn)方法
聲明一段字符串常量：
// ANSI 字符串，內(nèi)容長度 7 字節(jié)
char
???? sz[20] = "中文123";
// UNICODE 字符串，內(nèi)容長度 5 個 wchar_t（10 字節(jié)）
wchar_t wsz[20] = L"\x4E2D\x6587\x0031\x0032\x0033"; |
UNICODE 字符串的 I/O 操作，字符與字節(jié)的轉(zhuǎn)換操作：
// 運行時設定當前 ANSI 編碼，VC 格式
setlocale(LC_ALL, ".936");
// GCC 中格式
setlocale(LC_ALL, "zh_CN.GBK");
// Visual C++ 中使用小寫 %s，按照 setlocale 指定編碼輸出到文件
// GCC 中使用大寫 %S
fwprintf(fp, L"%s\n", wsz);
// 把 UNICODE 字符串按照 setlocale 指定的編碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)
wcstombs(sz, wsz, 20);
// 把字節(jié)串按照 setlocale 指定的編碼轉(zhuǎn)換成 UNICODE 字符串
mbstowcs(wsz, sz, 20); |
在 Visual C++ 中，UNICODE 字符串常量有更簡單的表示方法。如果源程序的編碼與當前默認 ANSI 編碼不符，則需要使用 #pragma setlocale，告訴編譯器源程序使用的編碼：
// 如果源程序的編碼與當前默認 ANSI 編碼不一致，
// 則需要此行，編譯時用來指明當前源程序使用的編碼
#pragma setlocale
(".936")
// UNICODE 字符串常量，內(nèi)容長度 10 字節(jié)
wchar_t wsz[20] = L"中文123"; |
以上需要注意 #pragma setlocale 與 setlocale(LC_ALL, "") 的作用是不同的，#pragma setlocale 在編譯時起作用，setlocale() 在運行時起作用。
2.3 Java 中相關實現(xiàn)方法
字符串類 String 中的內(nèi)容是 UNICODE 字符串：
// Java 代碼，直接寫中文
String
string = "中文123";
// 得到長度為 5，因為是 5 個字符
System.out.println(string.length()); |
字符串 I/O 操作，字符與字節(jié)轉(zhuǎn)換操作。在 Java 包 java.io.* 中，以“Stream”結尾的類一般是用來操作“字節(jié)串”的類，以“Reader”，“Writer”結尾的類一般是用來操作“字符串”的類。
// 字符串與字節(jié)串間相互轉(zhuǎn)化
// 按照 GB2312 得到字節(jié)（得到多字節(jié)字符串）
byte
[] bytes = string.getBytes("GB2312");
// 從字節(jié)按照 GB2312 得到 UNICODE 字符串
string = newString(bytes, "GB2312");
// 要將 String 按照某種編碼寫入文本文件，有兩種方法：
// 第一種辦法：用 Stream 類寫入已經(jīng)按照指定編碼轉(zhuǎn)化好的字節(jié)串
OutputStream os = new FileOutputStream("1.txt");
os.write(bytes);
os.close();
// 第二種辦法：構造指定編碼的 Writer 來寫入字符串
Writer ow = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("2.txt"), "GB2312");
ow.write(string);
ow.close();
/* 最后得到的 1.txt 和 2.txt 都是 7 個字節(jié) */ |
如果 java 的源程序編碼與當前默認 ANSI 編碼不符，則在編譯的時候，需要指明一下源程序的編碼。比如：
| E:\>javac -encoding BIG5 Hello.java |
以上需要注意區(qū)分源程序的編碼與 I/O 操作的編碼，前者是在編譯時起作用，后者是在運行時起作用。
3. 幾種誤解，以及亂碼產(chǎn)生的原因和解決辦法
3.1 容易產(chǎn)生的誤解
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對編碼的誤解
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| 誤解一 |
在將“字節(jié)串”轉(zhuǎn)化成“UNICODE 字符串”時，比如在讀取文本文件時，或者通過網(wǎng)絡傳輸文本時，容易將“字節(jié)串”簡單地作為單字節(jié)字符串，采用每“一個字節(jié)”就是“一個字符”的方法進行轉(zhuǎn)化。
而實際上，在非英文的環(huán)境中，應該將“字節(jié)串”作為 ANSI 字符串，采用適當?shù)木幋a來得到 UNICODE 字符串，有可能“多個字節(jié)”才能得到“一個字符”。
通常，一直在英文環(huán)境下做開發(fā)的程序員們，容易有這種誤解。 |
| 誤解二 |
在 DOS，Windows 98 等非 UNICODE 環(huán)境下，字符串都是以 ANSI 編碼的字節(jié)形式存在的。這種以字節(jié)形式存在的字符串，必須知道是哪種編碼才能被正確地使用。這使我們形成了一個慣性思維：“字符串的編碼”。
當 UNICODE 被支持后，Java 中的 String 是以字符的“序號”來存儲的，不是以“某種編碼的字節(jié)”來存儲的，因此已經(jīng)不存在“字符串的編碼”這個概念了。只有在“字符串”與“字節(jié)串”轉(zhuǎn)化時，或者，將一個“字節(jié)串”當成一個 ANSI 字符串時，才有編碼的概念。
不少的人都有這個誤解。 |
第一種誤解，往往是導致亂碼產(chǎn)生的原因。第二種誤解，往往導致本來容易糾正的亂碼問題變得更復雜。
3.2 常用的編碼簡介
簡單介紹一下常用的編碼規(guī)則，為后邊的章節(jié)做一個準備。在這里，我們根據(jù)編碼規(guī)則的特點，把所有的編碼分成三類：
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分類
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編碼標準
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說明
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| 單字節(jié)字符編碼 |
ISO-8859-1 |
最簡單的編碼規(guī)則，每一個字節(jié)直接作為一個 UNICODE 字符。比如，[0xD6, 0xD0] 這兩個字節(jié)，通過 iso-8859-1 轉(zhuǎn)化為字符串時，將直接得到 [0x00D6, 0x00D0] 兩個 UNICODE 字符，即 "?D"。
反之，將 UNICODE 字符串通過 iso-8859-1 轉(zhuǎn)化為字節(jié)串時，只能正常轉(zhuǎn)化 0~255 范圍的字符。 |
| ANSI 編碼 |
GB2312,
BIG5,
Shift_JIS,
ISO-8859-2 …… |
把 UNICODE 字符串通過 ANSI 編碼轉(zhuǎn)化為“字節(jié)串”時，根據(jù)各自編碼的規(guī)定，一個 UNICODE 字符可能轉(zhuǎn)化成一個字節(jié)或多個字節(jié)。
反之，將字節(jié)串轉(zhuǎn)化成字符串時，也可能多個字節(jié)轉(zhuǎn)化成一個字符。比如，[0xD6, 0xD0] 這兩個字節(jié)，通過 GB2312 轉(zhuǎn)化為字符串時，將得到 [0x4E2D] 一個字符，即 '中' 字。
“ANSI 編碼”的特點：
1. 這些“ANSI 編碼標準”都只能處理各自語言范圍之內(nèi)的 UNICODE 字符。
2. “UNICODE 字符”與“轉(zhuǎn)換出來的字節(jié)”之間的關系是人為規(guī)定的。 |
| UNICODE 編碼 |
UTF-8,
UTF-16, UnicodeBig …… |
與“ANSI 編碼”類似的，把字符串通過 UNICODE 編碼轉(zhuǎn)化成“字節(jié)串”時，一個 UNICODE 字符可能轉(zhuǎn)化成一個字節(jié)或多個字節(jié)。
與“ANSI 編碼”不同的是：
1. 這些“UNICODE 編碼”能夠處理所有的 UNICODE 字符。
2. “UNICODE 字符”與“轉(zhuǎn)換出來的字節(jié)”之間是可以通過計算得到的。 |
在這里，我們可以看到，前面所講的“誤解一”，即采用每“一個字節(jié)”就是“一個字符”的轉(zhuǎn)化方法，實際上也就等同于采用 iso-8859-1 進行轉(zhuǎn)化。因此，我們常常使用 bytes = string.getBytes("iso-8859-1") 來進行逆向操作，得到原始的“字節(jié)串”。然后再使用正確的 ANSI 編碼，比如 string = new String(bytes, "GB2312")，來得到正確的“UNICODE 字符串”。
3.3 非 UNICODE 程序在不同語言環(huán)境間移植時的亂碼
非 UNICODE 程序中的字符串，都是以某種 ANSI 編碼形式存在的。如果程序運行時的語言環(huán)境與開發(fā)時的語言環(huán)境不同，將會導致 ANSI 字符串的顯示失敗。
比如，在日文環(huán)境下開發(fā)的非 UNICODE 的日文程序界面，拿到中文環(huán)境下運行時，界面上將顯示亂碼。如果這個日文程序界面改為采用 UNICODE 來記錄字符串，那么當在中文環(huán)境下運行時，界面上將可以顯示正常的日文。
由于客觀原因，有時候我們必須在中文操作系統(tǒng)下運行非 UNICODE 的日文軟件，這時我們可以采用一些工具，比如，南極星，AppLocale 等，暫時的模擬不同的語言環(huán)境。
3.4 網(wǎng)頁提交字符串
當頁面中的表單提交字符串時，首先把字符串按照當前頁面的編碼，轉(zhuǎn)化成字節(jié)串。然后再將每個字節(jié)轉(zhuǎn)化成 "%XX" 的格式提交到 Web 服務器。比如，一個編碼為 GB2312 的頁面，提交 "中" 這個字符串時，提交給服務器的內(nèi)容為 "%D6%D0"。
在服務器端，Web 服務器把收到的 "%D6%D0" 轉(zhuǎn)化成 [0xD6, 0xD0] 兩個字節(jié)，然后再根據(jù) GB2312 編碼規(guī)則得到 "中" 字。
在 Tomcat 服務器中，request.getParameter() 得到亂碼時，常常是因為前面提到的“誤解一”造成的。默認情況下，當提交 "%D6%D0" 給 Tomcat 服務器時，request.getParameter() 將返回 [0x00D6, 0x00D0] 兩個 UNICODE 字符，而不是返回一個 "中" 字符。因此，我們需要使用 bytes = string.getBytes("iso-8859-1") 得到原始的字節(jié)串，再用 string = new String(bytes, "GB2312") 重新得到正確的字符串 "中"。
3.5 從數(shù)據(jù)庫讀取字符串
通過數(shù)據(jù)庫客戶端（比如 ODBC 或 JDBC）從數(shù)據(jù)庫服務器中讀取字符串時，客戶端需要從服務器獲知所使用的 ANSI 編碼。當數(shù)據(jù)庫服務器發(fā)送字節(jié)流給客戶端時，客戶端負責將字節(jié)流按照正確的編碼轉(zhuǎn)化成 UNICODE 字符串。
如果從數(shù)據(jù)庫讀取字符串時得到亂碼，而數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)又是正確的，那么往往還是因為前面提到的“誤解一”造成的。解決的辦法還是通過 string = new String( string.getBytes("iso-8859-1"), "GB2312") 的方法，重新得到原始的字節(jié)串，再重新使用正確的編碼轉(zhuǎn)化成字符串。
3.6 電子郵件中的字符串
當一段 Text 或者 HTML 通過電子郵件傳送時，發(fā)送的內(nèi)容首先通過一種指定的字符編碼轉(zhuǎn)化成“字節(jié)串”，然后再把“字節(jié)串”通過一種指定的傳輸編碼（Content-Transfer-Encoding）進行轉(zhuǎn)化得到另一串“字節(jié)串”。比如，打開一封電子郵件源代碼，可以看到類似的內(nèi)容：
Content-Type: text/plain;
??????? charset="gb2312"
Content-Transfer-Encoding: base64
sbG+qcrQuqO17cf4yee74bGjz9W7+b3wudzA7dbQ0MQNCg0KvPKzxqO6uqO17cnnsaPW0NDEDQoNCg== |
最常用的 Content-Transfer-Encoding 有 Base64 和 Quoted-Printable 兩種。在對二進制文件或者中文文本進行轉(zhuǎn)化時，Base64 得到的“字節(jié)串”比 Quoted-Printable 更短。在對英文文本進行轉(zhuǎn)化時，Quoted-Printable 得到的“字節(jié)串”比 Base64 更短。
郵件的標題，用了一種更簡短的格式來標注“字符編碼”和“傳輸編碼”。比如，標題內(nèi)容為 "中"，則在郵件源代碼中表示為：
// 正確的標題格式
Subject: =?GB2312?B?1tA=?= |
其中，
- 第一個“=?”與“?”中間的部分指定了字符編碼，在這個例子中指定的是 GB2312。
- “?”與“?”中間的“B”代表 Base64。如果是“Q”則代表 Quoted-Printable。
- 最后“?”與“?=”之間的部分，就是經(jīng)過 GB2312 轉(zhuǎn)化成字節(jié)串，再經(jīng)過 Base64 轉(zhuǎn)化后的標題內(nèi)容。
如果“傳輸編碼”改為 Quoted-Printable，同樣，如果標題內(nèi)容為 "中"：
// 正確的標題格式
Subject: =?GB2312?Q?=D6=D0?= |
如果閱讀郵件時出現(xiàn)亂碼，一般是因為“字符編碼”或“傳輸編碼”指定有誤，或者是沒有指定。比如，有的發(fā)郵件組件在發(fā)送郵件時，標題 "中"：
// 錯誤的標題格式
Subject: =?ISO-8859-1?Q?=D6=D0?= |
這樣的表示，實際上是明確指明了標題為 [0x00D6, 0x00D0]，即 "?D"，而不是 "中"。
4. 幾種錯誤理解的糾正
誤解：“ISO-8859-1 是國際編碼？”
非也。iso-8859-1 只是單字節(jié)字符集中最簡單的一種，也就是“字節(jié)編號”與“UNICODE 字符編號”一致的那種編碼規(guī)則。當我們要把一個“字節(jié)串”轉(zhuǎn)化成“字符串”，而又不知道它是哪一種 ANSI 編碼時，先暫時地把“每一個字節(jié)”作為“一個字符”進行轉(zhuǎn)化，不會造成信息丟失。然后再使用 bytes = string.getBytes("iso-8859-1") 的方法可恢復到原始的字節(jié)串。
誤解：“Java 中，怎樣知道某個字符串的內(nèi)碼？”
Java 中，字符串類 java.lang.String 處理的是 UNICODE 字符串，不是 ANSI 字符串。我們只需要把字符串作為“抽象的符號的串”來看待。因此不存在字符串的內(nèi)碼的問題。