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Python编码问题,你都搞明白了吗?

    /    2018-12-05

看这篇文章前,你应该已经知道了为什么有编码,以及编码的种类情况:

ASCII 占1个字节,只支持英文;

GB2312 占2个字节,支持6700+汉字;

GBK GB2312的升级版,支持21000+汉字;

Shift-JIS 日本字符;

ks_c_5601-1987 韩国编码;

TIS-620 泰国编码;

由于每个国家都有自己的字符,所以其对应关系也涵盖了自己国家的字符,但是以上编码都存在局限性,即:仅涵盖本国字符,无其他国家字符的对应关系。应运而生出现了万国码,他涵盖了全球所有的文字和二进制的对应关系。

Unicode 占2-4字节,已经收录136690个字符,并还在一直不断扩张中...

Unicode 起到了2个作用:

直接支持全球所有语言,每个国家都可以不用再使用自己之前的旧编码了,用unicode就可以了。(就跟英语是全球统一语言一样)

unicode包含了跟全球所有国家编码的映射关系,为什么呢?后面再讲!

Unicode解决了字符和二进制的对应关系,但是使用unicode表示一个字符,太浪费空间。例如:利用unicode表示“Python”需要12个字节才能表示,比原来ASCII表示增加了1倍。

由于计算机的内存比较大,并且字符串在内容中表示时也不会特别大,所以内容可以使用unicode来处理,但是存储和网络传输时一般数据都会非常多,那么增加1倍将是无法容忍的!!!

为了解决存储和网络传输的问题,出现了Unicode Transformation Format,学术名UTF,即:对unicode中的进行转换,以便于在存储和网络传输时可以节省空间!

UTF-8: 使用1、2、3、4个字节表示所有字符;优先使用1个字符、无法满足则使增加一个字节,最多4个字节。英文占1个字节、欧洲语系占2个、东亚占3个,其它及特殊字符占4个

UTF-16: 使用2、4个字节表示所有字符;优先使用2个字节,否则使用4个字节表示。

UTF-32: 使用4个字节表示所有字符;

总结:UTF是为unicode编码设计的一种在存储和传输时节省空间的编码方案。

字符在硬盘上的存储

无论以什么编码在内存里显示字符,存到硬盘上都是2进制。

ascii编码(美国):
    l   0b1101100
    o   0b1101111
    v   0b1110110
    e   0b1100101
GBK编码(中国):
    老   0b11000000 0b11001111
    男   0b11000100 0b11010000
    孩   0b10111010 0b10100010
 
Shift_JIS编码(日本):
    私   0b10001110 0b10000100
    は   0b10000010 0b11001101
 
ks_c_5601-1987编码(韩国):
    나   0b10110011 0b10101010
    는   0b10110100 0b11000010
     
TIS-620编码(泰国):
    ฉัน  0b10101001 0b11010001 0b10111001
...

要注意的是,存到硬盘上时是以何种编码存的,再从硬盘上读出来时,就必须以何种编码读,要不然就乱了!

编码的转换

虽然国际语言是英语 ,但大家在自己的国家依然说自已的语言,不过出了国, 你就得会英语,编码也一样,虽然有了unicode and utf-8,但是由于历史问题,各个国家依然在大量使用自己的编码,比如中国的windows,默认编码依然是gbk,而不是utf-8

基于此,如果中国的软件出口到美国,在美国人的电脑上就会显示乱码,因为他们没有gbk编码。

若想让中国的软件可以正常的在 美国人的电脑上显示,只有以下2条路可走:

让美国人的电脑上都装上gbk编码;

把你的软件编码以utf-8编码!

第1种方法几乎不可能实现,第2种方法比较简单。 但是也只能是针对新开发的软件。 如果你之前开发的软件就是以gbk编码的,上百万行代码可能已经写出去了,重新编码成utf-8格式也会费很大力气。

so , 针对已经用gbk开发完毕的项目,以上2种方案都不能轻松的让项目在美国人电脑上正常显示,难道没有别的办法了么?

有, 还记得我们讲unicode其中一个功能是其包含了跟全球所有国家编码的映射关系,意思就是,你写的是gbk的“路飞学城”,但是unicode能自动知道它在unicode中的“路飞学城”的编码是什么,如果这样的话,那是不是意味着,无论你以什么编码存储的数据 ,只要你的软件在把数据从硬盘读到内存里,转成unicode来显示,就可以了。

由于所有的系统、编程语言都默认支持unicode,那你的gbk软件放到美国电脑上,加载到内存里,变成了unicode,中文就可以正常展示啦。

下面的表你自己也可以下载下来:

unicode与gbk的映射表 http://www.unicode.org/charts/

Python3的执行过程

在看实际代码的例子前,我们来聊聊,python3 执行代码的过程:

解释器找到代码文件,把代码字符串按文件头定义的编码加载到内存,转成unicode,把代码字符串按照语法规则进行解释,所有的变量字符都会以unicode编码声明!

编码转换过程

实际代码演示,在py3上 把你的代码以utf-8编写, 保存,然后在windows上执行!

s = '路飞学城'
print(s)

so ,一切都很美好,到这里,我们关于编码的学习按说就可以结束了。

但是,如生活一样,美好的表面下,总是隐藏着不尽如人意,上面的utf-8编码之所以能在windows gbk的终端下显示正常,是因为到了内存里python解释器把utf-8转成了unicode , 但是这只是python3, 并不是所有的编程语言在内存里默认编码都是unicode,比如python2 就不是, 它的默认编码是ASCII,想写中文,就必须声明文件头的coding为gbk or utf-8, 声明之后,python2解释器仅以文件头声明的编码去解释你的代码,加载到内存后,并不会主动帮你转为unicode,也就是说,你的文件编码是utf-8,加载到内存里,你的变量字符串就也是utf-8, 这意味着什么你知道么?意味着,你以utf-8编码的文件,在windows是乱码。

乱是正常的,不乱才不正常,因为只有2种情况 ,你的windows上显示才不会乱:

1. 字符串以GBK格式显示;

2. 字符串是unicode编码。

既然Python2并不会自动的把文件编码转为unicode存在内存里, 那就只能使出最后一招了,Py3 自动把文件编码转为unicode必定是调用了什么方法,这个方法就是,decode(解码) 和encode(编码)。

UTF-8 --> decode 解码 --> Unicode
Unicode --> encode 编码 --> GBK / UTF-8 ..

decode示例

encode 示例

记住下图规则

如何验证编码转对了呢?

1. 查看数据类型,python 2 里有专门的unicode 类型

2. 查看unicode编码映射表

unicode字符是有专门的unicode类型来判断的,但是utf-8,gbk编码的字符都是str,你如果分辨出来的当前的字符串数据是何种编码的呢? 有人说可以通过字节长度判断,因为utf-8一个中文占3字节,gbk一个占2字节。

靠上面字节个数,虽然也能大体判断是什么类型,但总觉得不是很专业。

怎么才能精确的验证一个字符的编码呢,就是拿这些16进制的数跟编码表里去匹配。

“路飞学城”的unicode编码的映射位置是 u'\u8def\u98de\u5b66\u57ce' ,‘\u8def’ 就是‘路’,到表里搜一下。

“路飞学城”对应的GBK编码是'\xc2\xb7\xb7\xc9\xd1\xa7\xb3\xc7' ,2个字节一个中文,"路" 的二进制 "\xc2\xb7"是4个16进制,正好2字节,拿它到unicode映射表里对一下, 发现是G0-4237,并不是\xc2\xb7呀!

再查下“飞” \u98de ,对应的是G0-3749, 跟\xb7\xc9也对不上。

虽然对不上, 但好\xc2\xb7 和G0-4237中的第2位的2和第4位的7对上了,“飞”字也是一样,莫非巧合?

把他们都转成2进制显示试试!

路
C               2
8   4   2   1   8   4   2   1
<strong>1   1   0   0   0   0   1   0</strong>
 
B               7
8   4   2   1   8   4   2   1
<strong>1   0   1   1   0   1   1   1</strong>
 
 
飞
B               7
8   4   2   1   8   4   2   1
1   0   1   1   0   1   1   1
 
C               9
8   4   2   1   8   4   2   1
1   1   0   0   1   0   0   1

这个“路”还是跟G0-4237对不上呀,没错, 但如果你把路\xc2\xb7的每个二进制字节的左边第一个bit变成0试试呢, 加起来就真的是4237了呀!难道又是巧合?

必然不是,是因为,GBK的编码表示形式决定的!因为GBK编码在设计初期就考虑到了要兼容ASCII,即如果是英文,就用一个字节表示,2个字节就是中文,但如何区别连在一起的2个字节是代表2个英文字母,还是一个中文汉字呢? 中国人如此聪明,决定,2个字节连在一起,如果每个字节的第1位(也就是相当于128的那个2进制位)如果是1,就代表这是个中文,这个首位是128的字节被称为高字节。 也就是2个高字节连在一起,必然就是一个中文。 你怎么如此笃定?因为0-127已经表示了英文的绝大部分字符,128-255是ASCII的扩展表,表示的都是极特殊的字符,一般没什么用。所以中国人就直接拿来用了。

问:那为什么上面 "\xc2\xb7"的2进制要把128所在的位去掉才能与unicode编码表里的G0-4237匹配上呢?

这只能说是unicode在映射表的表达上直接忽略了高字节,但真正映射的时候 ,肯定还是需要用高字节的哈。

Python bytes类型

在python2 上写字符串

>>> s = "路飞"
>>> print s
路飞
>>> s
'\xe8\xb7\xaf\xe9\xa3\x9e'

虽说打印的是路飞,但直接调用变量s,看到的却是一个个的16进制表示的二进制字节,我们怎么称呼这样的数据呢?直接叫二进制么?也可以,但相比于010101,这个数据串在表示形式上又把2进制转成了16进制来表示,这是为什么呢? 哈,为的就是让人们看起来更可读。我们称之为bytes类型,即字节类型, 它把8个二进制一组称为一个byte,用16进制来表示。

说这个有什么意思呢?

想告诉你一个事实, 就是,python2的字符串其实更应该称为字节串。 通过存储方式就能看出来, 但python2里还有一个类型是bytes呀,难道又叫bytes又叫字符串? 嗯 ,是的,在python2里,bytes == str , 其实就是一回事,除此之外呢, python2里还有个单独的类型是unicode , 把字符串解码后,就会变成unicode!

>>> s
'\xe8\xb7\xaf\xe9\xa3\x9e' #utf-8
>>> s.decode('utf-8')
u'\u8def\u98de' #unicode 在unicode编码表里对应的位置
>>> print(s.decode('utf-8'))
路飞 #unicode 格式的字符

由于Python创始人在开发初期认知的局限性,其并未预料到python能发展成一个全球流行的语言,导致其开发初期并没有把支持全球各国语言当做重要的事情来做,所以就轻佻的把ASCII当做了默认编码。 当后来大家对支持汉字、日文、法语等语言的呼声越来越高时,Python于是准备引入unicode,但若直接把默认编码改成unicode的话是不现实的, 因为很多软件就是基于之前的默认编码ASCII开发的,编码一换,那些软件的编码就都乱了。所以Python2 就直接搞了一个新的字符类型,就叫unicode类型,比如你想让你的中文在全球所有电脑上正常显示,在内存里就得把字符串存成unicode类型!

>>> s = "路飞"
>>> s
'\xe8\xb7\xaf\xe9\xa3\x9e'
>>> s2 = s.decode("utf-8")
>>> s2
u'\u8def\u98de'
>>> type(s2)
<type 'unicode'>

时间来到2008年,python发展已近20年,创始人龟叔越来越觉得python里的好多东西已发展的不像他的初衷那样,开始变得臃肿、不简洁、且有些设计让人摸不到头脑,比如unicode与str类型,str与bytes类型的关系,这给很多python程序员造成了困扰。

龟叔再也忍不了,像之前一样的修修补补已不能让Python变的更好,于是来了个大变革,Python3横空出世,不兼容python2,python3比python2做了非常多的改进,其中一个就是终于把字符串变成了unicode,文件默认编码变成了utf-8,这意味着,只要用python3,无论你的程序是以哪种编码开发的,都可以在全球各国电脑上正常显示,真是太棒啦!

PY3 除了把字符串的编码改成了unicode, 还把str和bytes做了明确区分,str就是unicode格式的字符,bytes就是单纯二进制啦。

最后一个问题,为什么在py3里,把unicode编码后,字符串就变成了bytes格式?你直接给我直接打印成gbk的字符展示不好么?我想其实py3的设计真是煞费苦心,就是想通过这样的方式明确的告诉你,想在py3里看字符,必须得是unicode编码,其它编码一律按bytes格式展示。

最后再提示一下,Python只要出现各种编码问题,无非是哪里的编码设置出错了

常见编码错误的原因有:

1. Python解释器的默认编码;

2. Python源文件文件编码;

3. Terminal使用的编码;

4. 操作系统的语言设置。

掌握了编码之前的关系后,挨个排错就好啦!

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