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吾之初心,永世不忘

学习java遇到的编码问题

今天在看java的I/O流,由这个程序,然后引起了一系列的事情,让我对编程有了新的认识。

起因

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/*功能实现:使用缓冲流技术实现文件的复制功能,程序在命令行下执行时,需要传递两个参数,第一个参数是源文件名,第二个参数是复制到的目的文件名。
完整程序代码如下:*/
/****************************BufferedOut.java**********************************/
import java.io.*;
public class BufferedOut {
public static void main(String[] args) {
try {
byte[] data = new byte[1];
File srcFile = new File(args[0]);
File desFile = new File(args[1]);
// 创建一个文件输入流,并作为参数传递给缓冲输入流,实现对接
BufferedInputStream bufIn = new BufferedInputStream(
new FileInputStream(srcFile));
// 创建一个文件输出流,并作为参数传递给缓冲输出流,实现对接
BufferedOutputStream bufOut = new BufferedOutputStream(
new FileOutputStream(desFile));
System.out.println("复制文件:" + srcFile.length() + "字节");
while (bufIn.read(data) != -1) {
bufOut.write(data);
}
// 将缓冲区中的数据全部写出
bufOut.flush();
// 关闭流
bufIn.close();
bufOut.close();
System.out.println("复制完成");
} catch (Exception e) {
}
}
}

这是我买的那本书上的一个实例(P316 例17.8)
这个程序的功能:使用缓冲流技术实现文件的复制功能,程序在命令行下执行时,需要传递两个参数,第一个参数是源文件名,第二个是复制到目的文件名(指的是args[0]和args[1])
我用的编译器是idea,感觉这个比较好用

  • 问题的出现
    我觉得书上的代码没错啊,应该是对的,就直接敲了上去,但是在第9行报错了,为什么错还是不明白,有待研究。于是我指定文件,把那个args[0]改成了"1.txt",同理args[1]改成了"2.txt",在运行的项目下创建了1.txt,运行程序。
    注意:问题来了–1.txt中的内容输入数字字母什么的,没什么问题,一个字符就是一个字节,但是输入一个汉字的时候,显示的是3个字节,但是老师上课讲的是一个汉字两个字节,原来是编码问题,下面的是我看到别人写的一些易于理解的部分。

不同的编码格式占字节数是不同的,UTF-8编码下一个中文所占字节也是不确定的,可能是2个、3个、4个字节;

几种编码格式的简单介绍

  • ASCII 码

学过计算机的人都知道 ASCII 码,总共有 128 个,用一个字节的低 7 位表示,0~31 是控制字符如换行回车删除等;32~126 是打印字符,可以通过键盘输入并且能够显示出来。

  • ISO-8859-1

128 个字符显然是不够用的,于是 ISO 组织在 ASCII 码基础上又制定了一些列标准用来扩展 ASCII 编码,它们是 ISO-8859-1~ISO-8859-15,其中 ISO-8859-1 涵盖了大多数西欧语言字符,所有应用的最广泛。ISO-8859-1 仍然是单字节编码,它总共能表示 256 个字符。

  • GB2312

它的全称是《信息交换用汉字编码字符集 基本集》,它是双字节编码,总的编码范围是 A1-F7,其中从 A1-A9 是符号区,总共包含 682 个符号,从 B0-F7 是汉字区,包含 6763 个汉字。

  • GBK

全称叫《汉字内码扩展规范》,是国家技术监督局为 windows95 所制定的新的汉字内码规范,它的出现是为了扩展 GB2312,加入更多的汉字,它的编码范围是 8140~FEFE(去掉 XX7F)总共有 23940 个码位,它能表示 21003 个汉字,它的编码是和 GB2312 兼容的,也就是说用 GB2312 编码的汉字可以用 GBK 来解码,并且不会有乱码。

  • GB18030

全称是《信息交换用汉字编码字符集》,是我国的强制标准,它可能是单字节、双字节或者四字节编码,它的编码与 GB2312 编码兼容,这个虽然是国家标准,但是实际应用系统中使用的并不广泛。

  • UTF-16

说到 UTF 必须要提到 Unicode(Universal Code 统一码),ISO 试图想创建一个全新的超语言字典,世界上所有的语言都可以通过这本字典来相互翻译。可想而知这个字典是多么的复杂,关于 Unicode 的详细规范可以参考相应文档。Unicode 是 Java 和 XML 的基础,下面详细介绍 Unicode 在计算机中的存储形式。

UTF-16 具体定义了 Unicode 字符在计算机中存取方法。UTF-16 用两个字节来表示 Unicode 转化格式,这个是定长的表示方法,不论什么字符都可以用两个字节表示,两个字节是 16 个 bit,所以叫 UTF-16。UTF-16 表示字符非常方便,每两个字节表示一个字符,这个在字符串操作时就大大简化了操作,这也是 Java 以 UTF-16 作为内存的字符存储格式的一个很重要的原因。

  • UTF-8

UTF-16 统一采用两个字节表示一个字符,虽然在表示上非常简单方便,但是也有其缺点,有很大一部分字符用一个字节就可以表示的现在要两个字节表示,存储空间放大了一倍,在现在的网络带宽还非常有限的今天,这样会增大网络传输的流量,而且也没必要。而 UTF-8 采用了一种变长技术,每个编码区域有不同的字码长度。不同类型的字符可以是由 1~6 个字节组成。

UTF-8 有以下编码规则:

  1. 如果一个字节,最高位(第 8 位)为 0,表示这是一个 ASCII 字符(00 - 7F)。可见,所有 ASCII 编码已经是 UTF-8 了。
  2. 如果一个字节,以 11 开头,连续的 1 的个数暗示这个字符的字节数,例如:110xxxxx 代表它是双字节 UTF-8 字符的首字节。
  3. 如果一个字节,以 10 开始,表示它不是首字节,需要向前查找才能得到当前字符的首字节

字符编码的历史故事

很久很久以前,有一群人,他们决定用8个可以开合的晶体管来组合成不同的状态,以表示世界上的万物。他们认为8个开关状态作为原子单位很好,于是他们把这称为”字节”。

再后来,他们又做了一些可以处理这些字节的机器,机器开动了,可以用字节来组合出更多的状态,状态开始变来变去。他们看到这样是好的,于是它们就这机器称为”计算机”。

开始计算机只在美国用。八位的字节一共可以组合出256(2的8次方)种不同的状态。

他们把其中的编号从0开始的32种状态分别规定了特殊的用途,一但终端设备或者打印机遇上这些约定好的字节时,就要做一些约定的动作。遇上 00x10, 终端就换行,遇上0x07, 终端就向人们嘟嘟叫,例好遇上0x1b, 打印机就打印反白的字,对于终端就用彩色显示字母。他们看到这样很好,于是就把这些0x20(十进制32)以下的字节状态称为”控制码”。

他们又把所有的空格、标点符号、数字、大小写字母分别用连续的字节状态表示,一直编到了第127号,这样计算机就可以用不同字节来存储英语的 文字了。大家看到这样,都感觉很好,于是大家都把这个方案叫做 ANSI 的”Ascii”编码(American Standard Code for Information Interchange,美国信息互换标准代码)。当时世界上所有的计算机都用同样的ASCII方案来保存英文文字。

后来,就像建造巴比伦塔一样,世界各地的都开始使用计算机,但是很多国家用的不是英文,他们用到的许多字母在ASCII中根本没有,为了也可以在计算机中保存他们的文字,他们决定采用127号之后的空位来表示这些新的字母、符号,还加入了很多画表格时需要用下到的横线、竖线、交叉等形状,一直把序号编到了最后一个状态255。从128到255这一页的字符集被称”扩展字符集”。从此之后,贪婪的人类再没有新的状态可以用了,美帝国主义可能没有想到还有第三世界国家的人们也希望可以用到计算机吧!

等中国人们得到计算机时,已经没有可以利用的字节状态来表示汉字,况且有6000多个常用汉字需要保存呢。但是这难不倒智慧的中国人民,我们不客气地把那些127号之后的奇异符号们直接取消掉,并且规定:一个小于127的字符的意义与原来相同,但两个大于127的字符连在一起时,就表示一个汉字,前面的一个字节(他称之为高字节)从0xA1用到 0xF7,后面一个字节(低字节)从0xA1到0xFE,这样我们就可以组合出大约7000多个简体汉字了。在这些编码里,我们还把数学符号、罗马希腊的字母、日文的假名们都编进去了,连在 ASCII 里本来就有的数字、标点、字母都统统重新编了两个字节长的编码,这就是常说的”全角”字符,而原来在127号以下的那些就叫”半角”字符了。

中国人民看到这样很不错,于是就把这种汉字方案叫做”GB2312”。GB2312 是对 ASCII 的中文扩展。

但是中国的汉字太多了,我们很快就就发现有许多人的人名没有办法在这里打出来,特别是某些很会麻烦别人的国家领导人(如朱镕基的“镕”字)。于是我们不得不继续把 GB2312 没有用到的码位找出来老实不客气地用上。

后来还是不够用,于是干脆不再要求低字节一定是127号之后的内码,只要第一个字节是大于127就固定表示这是一个汉字的开始,不管后面跟的是不是扩展字符集里的内容。结果扩展之后的编码方案被称为 GBK 标准,GBK 包括了 GB2312 的所有内容,同时又增加了近20000个新的汉字(包括繁体字)和符号。

后来少数民族也要用电脑了,于是我们再扩展,又加了几千个新的少数民族的字,GBK 扩成了 GB18030。从此之后,中华民族的文化就可以在计算机时代中传承了。

中国的程序员们看到这一系列汉字编码的标准是好的,于是通称他们叫做 “DBCS”(Double Byte Charecter Set 双字节字符集)。在DBCS系列标准里,最大的特点是两字节长的汉字字符和一字节长的英文字符并存于同一套编码方案里,因此他们写的程序为了支持中文处理,必须要注意字串里的每一个字节的值,如果这个值是大于127的,那么就认为一个双字节字符集里的字符出现了。那时候凡是受过加持,会编程的计算机僧侣们都要每天念下面这个咒语数百遍:

“一个汉字算两个英文字符!一个汉字算两个英文字符……”

因为当时各个国家都像中国这样搞出一套自己的编码标准,结果互相之间谁也不懂谁的编码,谁也不支持别人的编码,连大陆和台湾这样只相隔了150海里,使用着同一种语言的兄弟地区,也分别采用了不同的 DBCS 编码方案——当时的中国人想让电脑显示汉字,就必须装上一个”汉字系统”,专门用来处理汉字的显示、输入的问题,但是那个台湾的愚昧封建人士写的算命程序就必须加装另一套支持 BIG5 编码的什么”倚天汉字系统”才可以用,装错了字符系统,显示就会乱了套!这怎么办?而且世界民族之林中还有那些一时用不上电脑的穷苦人民,他们的文字又怎么办?

真是计算机的巴比伦塔命题啊!

正在这时,大天使加百列及时出现了——一个叫 ISO (国际标谁化组织)的国际组织决定着手解决这个问题。他们采用的方法很简单:废了所有的地区性编码方案,重新搞一个包括了地球上所有文化、所有字母和符号的编码!他们打算叫它”Universal Multiple-Octet Coded Character Set”,简称 UCS, 俗称 “UNICODE”。

UNICODE 开始制订时,计算机的存储器容量极大地发展了,空间再也不成为问题了。于是 ISO 就直接规定必须用两个字节,也就是16位来统一表示所有的字符,对于ascii里的那些”半角”字符,UNICODE 包持其原编码不变,只是将其长度由原来的8位扩展为16位,而其他文化和语言的字符则全部重新统一编码。由于”半角”英文符号只需要用到低8位,所以其高 8位永远是0,因此这种大气的方案在保存英文文本时会多浪费一倍的空间。

这时候,从旧社会里走过来的程序员开始发现一个奇怪的现象:他们的strlen函数靠不住了,一个汉字不再是相当于两个字符了,而是一个!是 的,从 UNICODE 开始,无论是半角的英文字母,还是全角的汉字,它们都是统一的”一个字符”!同时,也都是统一的”两个字节”,请注意”字符”和”字节”两个术语的不同, “字节”是一个8位的物理存贮单元,而”字符”则是一个文化相关的符号。在UNICODE 中,一个字符就是两个字节。一个汉字算两个英文字符的时代已经快过去了。

从前多种字符集存在时,那些做多语言软件的公司遇上过很大麻烦,他们为了在不同的国家销售同一套软件,就不得不在区域化软件时也加持那个双字节字符集咒语,不仅要处处小心不要搞错,还要把软件中的文字在不同的字符集中转来转去。UNICODE 对于他们来说是一个很好的一揽子解决方案,于是从 Windows NT 开始,MS 趁机把它们的操作系统改了一遍,把所有的核心代码都改成了用 UNICODE 方式工作的版本,从这时开始,WINDOWS 系统终于无需要加装各种本土语言系统,就可以显示全世界上所有文化的字符了。

但是,UNICODE 在制订时没有考虑与任何一种现有的编码方案保持兼容,这使得 GBK 与UNICODE 在汉字的内码编排上完全是不一样的,没有一种简单的算术方法可以把文本内容从UNICODE编码和另一种编码进行转换,这种转换必须通过查表来进行。

如前所述,UNICODE 是用两个字节来表示为一个字符,他总共可以组合出65535不同的字符,这大概已经可以覆盖世界上所有文化的符号。如果还不够也没有关系,ISO已经准备了UCS-4方案,说简单了就是四个字节来表示一个字符,这样我们就可以组合出21亿个不同的字符出来(最高位有其他用途),这大概可以用到银河联邦成立那一天吧!

UNICODE 来到时,一起到来的还有计算机网络的兴起,UNICODE 如何在网络上传输也是一个必须考虑的问题,于是面向传输的众多 UTF(UCS Transfer Format)标准出现了,顾名思义,UTF8就是每次8个位传输数据,而UTF16就是每次16个位,只不过为了传输时的可靠性,从UNICODE到 UTF时并不是直接的对应,而是要过一些算法和规则来转换。

受到过网络编程加持的计算机僧侣们都知道,在网络里传递信息时有一个很重要的问题,就是对于数据高低位的解读方式,一些计算机是采用低位先发送的方法,例如我们PC机采用的 INTEL 架构;而另一些是采用高位先发送的方式。在网络中交换数据时,为了核对双方对于高低位的认识是否是一致的,采用了一种很简便的方法,就是在文本流的开始时向对方发送一个标志符——如果之后的文本是高位在位,那就发送”FEFF”,反之,则发送”FFFE”。不信你可以用二进制方式打开一个UTF-X格式的文件,看看开头两个字节是不是这两个字节?

Windows上的编码问题

当你在 windows 的记事本里新建一个文件,输入"联通"两个字之后,保存,关闭,然后再次打开,你会发现这两个字已经消失了,代之的是几个乱码!呵呵,有人说这就是联通之所以拼不过移动的原因。
其实这是因为GB2312编码与UTF8编码产生了编码冲撞的原因。
当一个软件打开一个文本时,它要做的第一件事是决定这个文本究竟是使用哪种字符集的哪种编码保存的。软件一般采用三种方式来决定文本的字符集和编码:

检测文件头标识,提示用户选择,根据一定的规则猜测

参考文章

Java一个汉字占几个字节
深入分析 Java 中的中文编码问题
知乎问题-一个汉字占多少字节?