字符集与字符编码的强化理解与操作实践

踩坑

最近在工作中遇到了一个说大不大说小不小的问题，就是当我解析一个xml文件的时候，抛出了一个"Invalid byte 2 of 2-byte UTF-8 sequence"的异常，这个异常会导致解析直接退出，显然不能容忍。查阅相关资料稍微定位了一下，大概知道是字符集的问题，仔细一看，xml文件中的确有中文字符，而且当我把这些中文字符删了之后的确又能解析成功。不过我还是不能理解这当中的缘由，不过由于时间原因，当时只是把中文字符删了就草草完工。现在回头想想这个坑还是不能留，顺便趁机补下字符集相关的知识。

字符集和字符编码

字符集

字符集的概念是一个非常容易让人混淆的概念，很多情况下我们都会把他跟字符编码当成是同一个概念，但是事实上这两个概念其实是完全不一样的。 所谓字符集，其实是对所有字符映射到唯一ID的一个映射表，或者叫hash表，比如我就可以定义一个字符集，这个字符集里只有四个字符----"我”,"是","帅","哥"。那么我就可以把这四个分别映射为0,1,2,3，二者一一对应:

我-0
是-1
帅-2
哥-3

字符编码

但是字符集只是规定了字符与数字之间映射关系，并没有规定如何在二进制文件中进行表示(编码)。我可以定义很多中字符编码方法，比如我可以认为所有的字符都占两个bit位，这样当读取文件流的时候，我就可以两个bit两个bit的去读，并按照下面的规则进行解析:

00-我
01-是
10-帅
11-哥

看上去没问题，但是有人可能会说，这种编码不好，为啥呢，因为这样子每个字符都占用了2个bit，可能在某些情况下"我"这个字符出现的次数非常多，其他的字符出现的非常少，那么使用上面的编码方法可能就会浪费空间。我们可以用类似Huffman编码的策略修改一下编码方法:

0-我
10-是
110-帅
111-哥

这其实就是构造了一个二叉树，每一个内部节点就是0或１,每一个叶子节点就是一个字符。当我们解析的时候就顺着这棵树去找相应的字符就行了。 这种编码能保证当“我”出现次数很多的时候，文件的大小能够变小。当然我们需要注意每个字符的编码都不能是其他字符的前缀，否则就会出现解析混乱。

其实所谓字符集和字符编码的关系就是这么简单。只是由于历史原因导致当前的字符集和字符编码比较杂乱，没有绝对的统一，因此才会出现各种"乱码"现象。

Unicode字符集与UTF-8编码

为什么要单独拿Unicode字符集跟UTF-8编码来说是呢，一方便是因为这两个东西被用的最广，尤其是Java语言的原生支持；另一方面正是因为用到广，因此这两个东西被人误解的最多。 我在一开始了解这两个东西的时候也很蒙，有的文章说Unicode是一种编码，有的文章说Unicode不是编码而是字符集，有的文章说UTF-8是一种Unicode编码，有的文章说UTF-8不是Unicode编码。。。现在回想起来，其实他们说的都对，又都不全对。

Unicode是一种字符集

没错，Unicode当然是一种字符集，他又被称为"万国码"，能够表示很多很多的字符，具体的个数还在持续增加，目前根据WIKI上的说法，截至2017年6月已经增加到了13万个字符了。 所谓字符集，当然是想要多少有多少了，因此没有“Unicode能表示的最多字符数”这个概念。当需要增加新字符的时候，大不了把表格增加几行，然后对外发布个声明罢了。

Unicode有一个默认的编码叫UCS-2

这个概念是非常坑的，正式因为Unicode有一个默认的编码UCS-2(Universal Character Set)，因此才导致了概念的混乱。我们可以在很多地方看见所谓“Unicode编码”这个概念，其实他们说的不是Unicode字符集，而是UCS-2编码。这种编码方式就像我之前举的第一个例子类似，是一种定长的编码方式，每一个字符都用两个字节来表示。这就导致了他最多只能表示2^16个字符。因此很多地方提到说"Unicode编码最多能表示65536个字符"，其实指的是UCS-2编码。 显然，这种编码方式并不具备较好的扩展性。我们前面提到Unicode已经有13万个字符了，显然UCS-2编码搞不定了。因此当前很多系统都不会默认用UCS-2编码，而是用扩展性更好的UTF-8编码，不过在windows中还是经常会用到Unicode(UCS-2)编码。

UTF-8是Unicode字符集上的编码

其实UTF-8跟UCS-2一样，都是Unicode字符集上的编码，不过UTF-8使用的方式更像我上面举的第二个例子。采用UTF-8编码的字符有可能占用１个字节，比如ACSII码，也可能占用2-3字节，比如中文，也有可能占用4个以上字节，比如中日韩的一些超大字符集里的文字。正是由于UTF-8采用的变长编码，因此他能够更有扩展性，被用的也最广。 具体的编码方式这里就不多说了，网上资料有很多。

Java的字符支持

支持方式

既然知道了字符集的相关知识，就有必要了解一下在具体的编程工作中的注意点了。我们知道Java是原生支持Unicode的，他默认采用的就是UTF-8编码来处理文件以及存储字节码。一个最具体的表现就是，在java中，我们可以将一个中文赋值给一个char，而在C中，这样的操作是会报warning，并且中文会乱码的。 我们知道Java有个InputStreamReader，他的作用就是将从文件读取的字节流转化为字符流。他读取InputStream中的字节流，并且对他进行字符解码。我们可以通过在这里指定编码方式从而对编码流程进行控制。比如这样：

InputStream inputStream = new FileInputStream("/home/myths/examples.desktop");
InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream, "UTF-8");

通过InputStreamReader，所有的字节都被转化成了Unicode字符集保存在了内存里。 在默认情况下，Java采用的就是UTF-8的编码解码方式，当我们需要用指定的解码方式去解析文件的时候，我们就可以在这里进行指定。

Java支持的字符集

我们在指定字符集的时候需要注意，这些字符集一定要被Java支持，否则就会抛出UnsupportedEncodingException”。事实上对与这些字符集的名字，Java能够做到不区分大小写，忽略横线之类的辅助字符，不过我们最好还是写成标准形式。他的标准形式可以如下获取：

Charset.availableCharsets().keySet().forEach(System.out::println);

编码方式预测

很多情况下，当我们拿到一堆乱码的文件时，我们非常想知道这玩意的编码方式到底是啥。。。其实原则上来说，这种事情目前是无法精确办到的。一个最极端的例子就是纯ASCII码文件，绝大多数的编码方式都支持ASCII码单字节保存，那么给你一个纯ASCII码文件，你可以说他是ASCII码编码，也可以说他是UTF-8编码。不过windows的团队耍了一个小聪明，当我们用他的记事本去保存文件的时候，他会在文件开头加上三个字节的标记，告诉windows说这是啥编码方式。这三个字节就叫万恶的BOM。在windows下BOM这个东西还是很管用的，可是到了其他环境下，就会发现多出三个空白字符，很多命令都会解析失败，这就非常讨厌了。。。 事实上，虽然没有一个绝对准确的编码方式的预测方法，但是还是会有一些统计规律的，有了这些规律，我们就有了一些工具。

file命令 file命令是Linux自带的文件信息查看工具，我们可以用这个命令来简单查看文件的编码方式：

myths@pc:~$ file -bi test.txt
text/plain; charset=utf-8

uchardet uchardet是一个开源的工具，据说比file的更准。

myths@pc:~$ uchardet test.txt 
UTF-8

chardet chardet是一个python小脚本，调用的是python的函数，准确性也不错，而且还提供置信度供我们参考。

myths@pc:~$ chardet test.txt 
test.txt: utf-8 (confidence: 0.94)

说白了这些方法基本都是用概率统计的方法估计字符集的，所以非ascii的字符越多，判断的就会越准。

编码转换工具

有时候我们可能希望将文件的编码方式进行转换。需要注意的是，所谓的转换文件的编码，其实包括下面几个步骤:

1. 读取二进制流，
2. 按照旧的编码规则进行解码成统一的字符集
3. 根据字符集，按照新的编码规则进行编码成新的二进制流
4. 将二进制流写入文件

因此在进行编码格式转化的时候实际上就修改了文件本身，这一点需要注意。 转换编码最简单的方法其实可以通过iconv这个命令来进行处理:

myths@pc:~$ iconv -f UTF-8 -t GBK sourcefile > outputfile

通过-f指定旧的解码方式，通过-t指定新的编码方式，并将结果输出到新的文件中。

综合实践

下面做一个小实验。我们现在有如下的乱码数据，问这些数据是用什么编码的，他的正确编码方式应该是什么。 由于乱码的字符复制粘贴会影响二进制表示，因此我们通过指定二进制的方式来生成测试文件。

echo -e "\xb5\xf3\xbc\xd2\xba\xc3\xa3\xac\xce\xd2\xca\xc7\xcb\xa7\xb8\xe7\xa3\xac\xbb\xb6\xd3\xad\xb4\xf3\xbc\xd2\xba\xcd\xce\xd2\xd7\xf6\xc5\xf3\xd3\xd1\xa1\xa3"> guess

那么这个guess里装的到底是啥呢？ 点击查看答案和解析

答案与解析如果你电脑的默认字符集是GBK，那么或许你已经看到了答案了。 如果你电脑的默认字符集是UTF-8之类的，那你大概就要稍微折腾一番了。 1. 通过`file -bi guess`命令来猜测文件的字符集，发现是ISO-8859 2. 尝试iconv命令，发现并不能正常解码，放弃。 3. 通过`uchardet guess`命令来猜测文件的字符集，可以看到字符集是gb18030 4. 通过`iconv -f GB18030 -t UTF-8 guess `命令可以将字符集从GBK转换为UTF-8 5. 答案：“大家好，我是帅哥，欢迎大家和我做朋友。”

参考资料

linux-check-change-file-encoding JAVA字符串与字符编码处理的终极解决 字符编码笔记：ASCII，Unicode和UTF-8 uchardet