Unicode编码详解(一)：Unicode简介及其分类

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Unicode编码详解(一)：Unicode简介及其分类

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本文为原创文章，转载请注明出处，或注明转载自“黄邦勇帅(原名：黄勇)

本文是对《C++语法详解》一书相关章节的增补，以增强读者对字符的理解，因为《C++语法详解》引用的标准过于老旧。

《C++语法详解》网盘地址：
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本文摘自本人所作《Unicode编码和双向算法(bidi)详解》网盘地址
链接：https://pan.baidu.com/s/1LLKv22jQPmeba1XUCm0xoQ?pwd=a3x8
提取码：a3x8

有兴趣的读者可参阅本人所著《C++语法详解》一书，电子工业出版社出版，该书语法示例短小精悍，对查阅C++知识点相当方便，并对语法原理进行了透彻、深入详细的讲解，可确保读者彻底弄懂C++的原理，彻底解惑C++，使其知其然更知其所以然。此书是一本全面了解C++不可多得的案头必备图书。

由于本人能力有限，文中难免有错漏之处，望广大读者指出更正，不胜感激

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一、基本知识

1、Unicode

Unicode又称为统一码、万国码、单一码，是国际组织制定的旨在容纳全球所有字符的编码方案，包括字符集、编码方案等，它为每种语言中的每个字符设定了统一且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台的要求。Unicode制定的内容非常多，为便于讲解，本文仅对Unicode字符集和Unicode编码方案重点讲解

2、ISO 10646与通用字符集(Universal Character Set，UCS)

历史上，除了Unicode在试图制定全球统一的通用字符集外，国际标准化组织 ( ISO )也在制定相应的标准，其中通用多八位编码字符集(Universal Multiple-Octet Coded Character Set )，简称通用字符集(Universal Character Set，UCS)就是由ISO制定的ISO 10646标准所定义的字符集，是与Unicode并行的标准。最初，ISO与Unicode各自开发各自的项目，后来，双方意识到世界不需要两个不兼容的字符集，于是，双方进行了整合，并使彼此制定的标准相互兼容，以使两者保持一致，直到现在，两个组织都存在，并且各自独立公布各自的标准，但二者基本是一致的，不过Unicode的知名度比UCS更大，应用也更广泛。直至2020年3月，Unicode的版本为Unicode 13.0.0

二、基本术语及专业基础知识

1、字符

本文所指的字符是文字和符号的总称，包括文字、数字、字母、标点符号、图形符号等。

2、表意文字和象形文字

表意文字是指将意思置换成形状来表示的文字的统称，所以，表意文字只要看到一个文字的形状就能理解想要表达的意思。表意文字有很多，如汉字、彝文、东巴文等。注意：象形文字属于表意文字中的一种

3、CJK统一表意文字(CJK Unified Ideographs)简介

CJK是中国(Chinese)、日本(Japanese)和韩国(Korean)的缩写，其目的是要把分别来自中文、日文、韩文、越文等，本质和意义相同、形状一样或稍异的表意文字于ISO 10646及Unicode标准内赋予相同编码。顾名思义，CJK能够支持中、日、韩三种文字。

三、计算机怎样处理字符

计算机只能处理二进制数字，那么怎样处理字符呢？可以想到的最简单的办法就是在字符和数字之间进行映射(编码)，即，只需把字符想办法转换为二进制数字就行了，比如将字符“A”映射为10进制整数65，然后再将65直接映射为二进制数0100 0001，同理，可将“B”映射为66等，这样计算机就能处理字符A了，这里的“映射”在计算机中被称为“编码”，现在的计算机就是使用这种简单的思想处理字符的，只是其具体过程更复杂，至此，可能大家会产生出以下问题：

• 为什么要进行两次编码，直接编码为二进制不是更省事吗？其实这很简单，第一次编码准确的说其实就是为每个字符编了一个号，这个编号可方便人们使用，编号通常是10进制或16进制数，这样在以后指定某个字符时，可以直接使用数字来指定这个字符，很明显，直接使用二进制更不方便，比如，对于ASCII字符集，可以方便的使用65表示字符“A”，显然，使用二进制数0100 0001更不方便。
• 现在可能又有人会问了，为什么要使用编号来指定字符，而不是直接指定字符呢？比如，字符“A”，为什么要用编号65呢，直接用“A”不是更方便？对于英文字母这些常见的字符，直接使用字符当然更方便，但对于不是经常使用或者难输入、难显示、不显示的字符(比如积分号、求和符号、零宽度空格、回车换行符等)，那么使用编号就更方便了。
• 一个二进制比特串，比如0100 0001，为什么不会被处理为整数65，而被处理为字符“A”呢？这与该比特串的类型有关，如果类型为整型，则计算机就会被解释为整数65，若为字符型，就会被解释为字符了，同理，若为浮点型，则会按浮点型的规则解释这个比特串。

四、Unicode编码模型(Unicode的编码思想)

Unicode编码被分为表1的几个层次

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以上5个层次被称为Unicode编码模型，其实也是Unicode编码实现的步骤，下面分别对5个层次作一简介，后文会分别作详细介绍。

2、第一层：抽象字符表ACR(Abstract Character Reertoire)

ACR用于确定可以编码的字符的范围(即，确定支持哪些字符)

3、第二层：编号(编码)字符集CSS(Coded Character Set)

• 为每个字符编一个唯一的编号，从而形成一个庞大的“字符编号对”的集合，这个集合就是编号字符集CSS。比如，将大写字母A编号为整数65，B编号为66等，注意：Unicode字符的编号是使用16进制数表示的。需要注意的是，编号字符集仅仅规定了每个字符的编号，并未将编号转换为二进制串
• 翻译问题 Coded Character
  Set通常翻译为“编码字符集”，但由于此步骤的特征，翻译为“编号字符集”更为贴切，还可避免与之后转换为二进制时的“编码”相混淆。

4、第三层：字符编码方式CEF(Character Encoding Form，或翻译为字符编码表)

把字符编号编码为逻辑上的码元序列(即，逻辑字符编码)，注意：码元序列已经是一个二进制串了，常见编码方式有UTF-8，UTF-16，UTF-32，本文将此步骤的三种编码方式统称为Unicode编码。

5、第四层：字符编码方案CES(Character Encoding Scheme)

将逻辑上的码元序列映射为物理上的字节序列(即，物理字符编码)，字节序列仍是一个二进制串，此步骤的主要目的是确字码元序列的字节序，字节序确定之后就可以直接由计算机处理、存储了，由于UTF-8编码不存在字节序问题，所以使用UTF-8编码的字符不需要经过此层。

6、第五层：传输编码语法TES(Transfer encoding Syntax)

将字节序列进一步编码处理，以适合于在网络中传输。此步骤不是本文的内容，不作讲解

五、抽象字符表ACR(Abstract Character Repertoire)

1、抽象字符表是Unicode支持的所有抽象字符的集合，用于确定字符的范围，即Unicode需要支持哪些字符。
2、字符表分为是封闭的字符表和开放的字符表，封闭的字符表不允许添加新的字符，比如ASCII字符表；开放的字符表允许不断的添加新的字符，Unicode字符表就是开放字符表，另外，代码页在一定程度上也是开放的。

六、编号(编码)字符集CSS(Coded Character Set)

本小节很重要，讲解了重要概念：编号、码点、码点空间

1、前文已讲过，此步骤的主要目的就是为字符编号(或称为编码)，此步骤形成的“字符编号对”集合，称为编号字符集CSS

2、易混概念—字符集、字符编号、字符编码

字符集、字符编号、字符编码经常混用，这三者在本文中有一定区别，

• 字符集是字符与编号对的集合，此处是一种狭义的理解，因为，并不是所有编号都一定有字符与之对应，详见后文。
• 字符编号是对字符所分配的一个数值
• 字符编码是指将字符编号转换为二进制串的方法。

3、需要注意的是，编号有多种表示方式，可使用10进制、16进制整数表示，也可使用坐标的形式表示，坐标形式的编号，通常以二维表的形式来描述，如图1所示。在图1中，字符A的坐标为(0100，0001)，其对应的二进制数值为0100 0001，转换为10进制为65，即，字符A的编号为10进制的65，二进制的0100 0001

4、编号空间(Code Space，或称为代码空间、码点空间)

• 码点空间是指设定的字符编号的上限值，该值通常大于等于抽象字符表中的字符数目，从0到上限值之间的范围称为码点空间，编号空间可以有多种描述方法，比如GB2312汉字的编号空间是94*94，ISO-8859-1的码点空间是256或28等，
• 注意，码点空间还被定义为字符集中所有码点(见下一小点)数量的总和，其实这两种定义方式基本是一致的，编号一般是非负整数，通常情况下，编号上限值就表示或者可通过其计算出码点数量总和

5、代码点(Code Point，简称码点)和码点值

• 码点是指码点空间中的一个位置，该位置所代表的数值就是码点值。注意，码点和码点值是有区别的(但是经常混用)
• 注意，码点值的总数(码点空间)通常是大于等于字符总数的，这意味着，并不是所有码点值都有一个字符与之对应。
• Unicode将码点大致分为：字符码点、非字符码点、保留码点。
• 字符编号与码点值的区别
  字符编号是为字符所分配的码点，使用字符编号一定有一个字符与之对应，但码点值却不一定有与之对应的字符，可见，字符编号与码点之间是有区别的(但是经常混用)。

6、码点值的表示

码点值通常使用“U+十六进制数”的形式来表示，这样，就可以使用码点值来表示一个字符了(虽然有些码点值不一定有字符对应，但更直接)，比如中文“汉”字的码点值是U+6C49等，通常将码点值 (如U+6C49) 称为Unicode字符，虽然这样不够准确，但现实中普遍都这样称呼。

7、易混概念----码点与码点值

“码点”和“码点值”是有区别的，码点指的是位置，码点值指的是值。但是，经常使用码点表示码点值，这应根据上下文来区别。

8、特别注意

• 在Unicode标准中，码点与字符并不一定总是一一对应的，在Unicode标准中，一个字符有可能有多个码点，比如U+51C9与U+F977都是同一个字符“凉”，这主要是为了兼容韩国字符集的标准。
• 也有可能由多个码点来表示一个字符，最常见的就是组合字符，比如，以下字符
  
  是由基本字符g
  (U+0067)和U+0308(这个字符称为组合字符)组合而成，虽然以上字符是由两个Unicode码点组成，但现实中，人们会认为这是一个字符。以上由两个码点组合而成的字符称为“用户感知字符”(这是Unicode对字符的一种理解方法)。

9、Unicode字符集的概念

• 从以上讲解可见，字符集可理解为一张或多张二维表，表中行与列的交点(即，码点)分配一个编号(码点值)，除了某些特殊码点值外，每个码点唯一对应于一个字符(注意，并不是每个码点值都有字符与之对应)。现实中，通常直接使用码点值代替字符编号，这样做虽然不够准确，但更直接。
• 本文所讲的Unicode字符集是指的码点空间和与之对应的抽像字符表所形成的集合，也就是说，Unicode字符集包含抽象字符表中的字符、与字符对应的码点、以及没有与字符对应的码点。
• 从以上讲解可以看到，Unicode字符集仅仅为每个字符分配了一个代码点(即，编号)，但是，并不是每个代码点都有字符与之相对应(因为码点空间通常大于等于字符总数)，若忽略掉没有对应字符的代码点，则Unicode字符集可简单理解为“为每个字符分配了一个数值”，总之，Unicode字符集与计算机并没有直接的联系。后文讲解的编码，主要目的是把码点转换为二进制串，这就牵涉到一些算法的问题，而且与计算机硬件也有一定的关系，所以，编码就会与计算机打交道了，因此，也需要知道一些计算机知识，特别是字节序。

七、Unicode字符集的分类-----平面

1、平面

Unicode字符集被分成多个区，Unicode将“区”称为平面

2、Unicode字符集被划分为 17 个平面(即，17个区，编号为 0-16 )，且具有以下特点

• 每个平面有216 = 65536个代码点，因此，整个Unicode字符集共有17 × 65536 = 111 4112 个码点。
• 整个Unicode字符集的码点空间为U+000000 ~ U+10FFFF
• 每个平面的码点范围可表示为U+xx0000 ~ U+xxFFFF，其中xx表示16进制的0x00到0x10，比如，平面0的码点范围为U+000000 ~ U+00FFFF，平面2的码点范围为U+020000 ~ U+02FFFF，平面15的码点范围为U+0F0000 ~ U+0FFFFF
• 再次注意：并不是每个码点就一定对应有一个字符，因为，目前Unicode字符集中有很多码点都还未被使用。

3、17个平面又分为以下两类平面

①、基本多文种平面 ( Basic Multilingual Plane，BMP，或称为基本多语言平面、基本平面、第零平面、平面0)

• BMP平面位于第0平面，代码点范围为U+0000~U+FFFF
• BMP平面基本包含了世界上正在使用的常用字符，因此，平常使用的字符一般都位于BMP平面上。
• BMP平面中的中文代码点范围为U+4E00 ~ U+9FA5，该区域被称为CJK统一表意文字(CJK Unified
  Ideographs)，包含了 2万多个来自中国（包括台湾）、日本、韩国的汉字，称为 CJK (Chinese Japanese
  Korean) 汉字。注意，象形文字属于表意文字的一种。
• 专用区域：U+E000 ~ U+F8FF(共6400个码点)是BMP平面的专用区域，被保留为专用。
• 代理区域：U+D800 ~ U+DFFF(共2048个码点)是BMP平面的代理区域，该区域在UTF-16编码时会使用到。

②、辅助平面(或称为增补平面)

• 辅助平面被留作扩展之用或用来表示一些特殊的字符(比如，不常用的象形文字或远古时期的文字等)，这些字符通常被称为增补字符。
• 辅助平面位于平面1 ~ 16，即码点在U+010000 ~ U+10FFFF范围的字符都是增补字符
• 辅助平面是从Unicode 3.1 开始对BMP进行的扩展。

4、辅助平面又分为以下几类

①、第一辅助平面，也称为增补多文种平面(Supplementary Multilingual Plane，SMP)
位于平面1，用于存放拼音文字(主要为现已不再使用的文字)及符号，其代码点范围为U+10000 ~ U+1FFFF
②、第二辅助平面、也称为增补表意平面(Supplementary Ideographic Plane，SIP)
位于平面2，其代码点范围为U+20000 ~ U+2FFFF，用于存放“中日韩统一表意文字扩展区B ~ G”，及中日韩兼容表意文字增补，这些字符都是罕用的汉字、方言用字等字符。
③、第三辅助平面，又称为表意文字第三平面(Tertiary Ideographic Plane，TIP)，还未正式使用，计划用于存入甲骨文、金文、小篆、中国战国时期文字等。
④、第四至十三辅助平面尚未使用
⑤、第十四辅助平面又称为特别用途补充平面(Supplementary Special-purpose Pane，SSP)，代码点范围为U+E000 ~ U+EFFFF，其中U+E0000 ~ U+E007F用于存放Language tags，U+E0100 ~ U+E01EF用于存放Variation Selectors，这些都是控制字符
⑥、第十五和十六辅助平面是私人专用区，其代码点范围分别为U+F0000 ~ U+FFFFF，U+1000000 ~ U+10FFFF
5、表2为Unicode字符集的分类总结

本文作者：黄邦勇帅(原名：黄勇)