Python字符編碼詳解

2019-11-14 17:10:32

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本文簡單介紹了各種常用的字符編碼的特點，并介紹了在python2.x中如何與編碼問題作戰：）請注意本文關于Python的內容僅適用于2.x，3.x中str和unicode有翻天覆地的變化，請查閱其他相關文檔。尊重作者的勞動，轉載請注明作者及原文地址 >.<

1. 字符編碼簡介

1.1. ASCII

ASCII(American Standard Code for Information Interchange)，是一種單字節的編碼。計算機世界里一開始只有英文，而單字節可以表示256個不同的字符，可以表示所有的英文字符和許多的控制符號。不過ASCII只用到了其中的一半（/x80以下），這也是MBCS得以實現的基礎。

1.2. MBCS

然而計算機世界里很快就有了其他語言，單字節的ASCII已無法滿足需求。后來每個語言就制定了一套自己的編碼，由于單字節能表示的字符太少，而且同時也需要與ASCII編碼保持兼容，所以這些編碼紛紛使用了多字節來表示字符，如GBxxx、BIGxxx等等，他們的規則是，如果第一個字節是/x80以下，則仍然表示ASCII字符；而如果是/x80以上，則跟下一個字節一起（共兩個字節）表示一個字符，然后跳過下一個字節，繼續往下判斷。

這里，IBM發明了一個叫Code Page的概念，將這些編碼都收入囊中并分配頁碼，GBK是第936頁，也就是CP936。所以，也可以使用CP936表示GBK。

MBCS(Multi-Byte Character Set)是這些編碼的統稱。目前為止大家都是用了雙字節，所以有時候也叫做DBCS(Double-Byte Character Set)。必須明確的是，MBCS并不是某一種特定的編碼，Windows里根據你設定的區域不同，MBCS指代不同的編碼，而linux里無法使用MBCS作為編碼。在Windows中你看不到MBCS這幾個字符，因為微軟為了更加洋氣，使用了ANSI來嚇唬人，記事本的另存為對話框里編碼ANSI就是MBCS。同時，在簡體中文Windows默認的區域設定里，指代GBK。

1.3. Unicode

后來，有人開始覺得太多編碼導致世界變得過于復雜了，讓人腦袋疼，于是大家坐在一起拍腦袋想出來一個方法：所有語言的字符都用同一種字符集來表示，這就是Unicode。

最初的Unicode標準UCS-2使用兩個字節表示一個字符，所以你常常可以聽到Unicode使用兩個字節表示一個字符的說法。但過了不久有人覺得256*256太少了，還是不夠用，于是出現了UCS-4標準，它使用4個字節表示一個字符，不過我們用的最多的仍然是UCS-2。

UCS(Unicode Character Set)還僅僅是字符對應碼位的一張表而已，比如"漢"這個字的碼位是6C49。字符具體如何傳輸和儲存則是由UTF(UCS Transformation Format)來負責。

一開始這事很簡單，直接使用UCS的碼位來保存，這就是UTF-16，比如，"漢"直接使用/x6C/x49保存(UTF-16-BE)，或是倒過來使用/x49/x6C保存(UTF-16-LE)。但用著用著美國人覺得自己吃了大虧，以前英文字母只需要一個字節就能保存了，現在大鍋飯一吃變成了兩個字節，空間消耗大了一倍……于是UTF-8橫空出世。

UTF-8是一種很別扭的編碼，具體表現在他是變長的，并且兼容ASCII，ASCII字符使用1字節表示。然而這里省了的必定是從別的地方摳出來的，你肯定也聽說過UTF-8里中文字符使用3個字節來保存吧？4個字節保存的字符更是在淚奔……（具體UCS-2是怎么變成UTF-8的請自行搜索）

另外值得一提的是BOM(Byte Order Mark)。我們在儲存文件時，文件使用的編碼并沒有保存，打開時則需要我們記住原先保存時使用的編碼并使用這個編碼打開，這樣一來就產生了許多麻煩。（你可能想說記事本打開文件時并沒有讓選編碼？不妨先打開記事本再使用文件 -> 打開看看）而UTF則引入了BOM來表示自身編碼，如果一開始讀入的幾個字節是其中之一，則代表接下來要讀取的文字使用的編碼是相應的編碼：

BOM_UTF8 '/xef/xbb/xbf' BOM_UTF16_LE '/xff/xfe' BOM_UTF16_BE '/xfe/xff'

并不是所有的編輯器都會寫入BOM，但即使沒有BOM，Unicode還是可以讀取的，只是像MBCS的編碼一樣，需要另行指定具體的編碼，否則解碼將會失敗。

你可能聽說過UTF-8不需要BOM，這種說法是不對的，只是絕大多數編輯器在沒有BOM時都是以UTF-8作為默認編碼讀取。即使是保存時默認使用ANSI(MBCS)的記事本，在讀取文件時也是先使用UTF-8測試編碼，如果可以成功解碼，則使用UTF-8解碼。記事本這個別扭的做法造成了一個BUG：如果你新建文本文件并輸入"姹塧"然后使用ANSI(MBCS)保存，再打開就會變成"漢a"，你不妨試試：）

2. Python2.x中的編碼問題

2.1. str和unicode

str和unicode都是basestring的子類。嚴格意義上說，str其實是字節串，它是unicode經過編碼后的字節組成的序列。對UTF-8編碼的str'漢'使用len()函數時，結果是3，因為實際上，UTF-8編碼的'漢' == '/xE6/xB1/x89'。

unicode才是真正意義上的字符串，對字節串str使用正確的字符編碼進行解碼后獲得，并且len(u'漢') == 1。

再來看看encode()和decode()兩個basestring的實例方法，理解了str和unicode的區別后，這兩個方法就不會再混淆了：

# coding: UTF-8
 
u = u'漢'
PRint repr(u) # u'/u6c49'
s = u.encode('UTF-8')
print repr(s) # '/xe6/xb1/x89'
u2 = s.decode('UTF-8')
print repr(u2) # u'/u6c49'
 
# 對unicode進行解碼是錯誤的
# s2 = u.decode('UTF-8')
# 同樣，對str進行編碼也是錯誤的
# u2 = s.encode('UTF-8')

需要注意的是，雖然對str調用encode()方法是錯誤的，但實際上Python不會拋出異常，而是返回另外一個相同內容但不同id的str；對unicode調用decode()方法也是這樣。很不理解為什么不把encode()和decode()分別放在unicode和str中而是都放在basestring中，但既然已經這樣了，我們就小心避免犯錯吧。

2.2. 字符編碼聲明

源代碼文件中，如果有用到非ASCII字符，則需要在文件頭部進行字符編碼的聲明，如下：

1	`#-- coding: UTF-8 --`

實際上Python只檢查#、coding和編碼字符串，其他的字符都是為了美觀加上的。另外，Python中可用的字符編碼有很多，并且還有許多別名，還不區分大小寫，比如UTF-8可以寫成u8。參見http://docs.python.org/library/codecs.html。

另外需要注意的是聲明的編碼必須與文件實際保存時用的編碼一致，否則很大幾率會出現代碼解析異常。現在的IDE一般會自動處理這種情況，改變聲明后同時換成聲明的編碼保存，但文本編輯器控們需要小心：）

2.3. 讀寫文件

內置的open()方法打開文件時，read()讀取的是str，讀取后需要使用正確的編碼格式進行decode()。write()寫入時，如果參數是unicode，則需要使用你希望寫入的編碼進行encode()，如果是其他編碼格式的str，則需要先用該str的編碼進行decode()，轉成unicode后再使用寫入的編碼進行encode()。如果直接將unicode作為參數傳入write()方法，Python將先使用源代碼文件聲明的字符編碼進行編碼然后寫入。

# coding: UTF-8
 
f = open('test.txt')
s = f.read()
f.close()
print type(s) # <type 'str'>
# 已知是GBK編碼，解碼成unicode
u = s.decode('GBK')
 
f = open('test.txt', 'w')
# 編碼成UTF-8編碼的str
s = u.encode('UTF-8')
f.write(s)
f.close()

另外，模塊codecs提供了一個open()方法，可以指定一個編碼打開文件，使用這個方法打開的文件讀取返回的將是unicode。寫入時，如果參數是unicode，則使用open()時指定的編碼進行編碼后寫入；如果是str，則先根據源代碼文件聲明的字符編碼，解碼成unicode后再進行前述操作。相對內置的open()來說，這個方法比較不容易在編碼上出現問題。

# coding: GBK
 
import codecs
 
f = codecs.open('test.txt', encoding='UTF-8')
u = f.read()
f.close()
print type(u) # <type 'unicode'>
 
f = codecs.open('test.txt', 'a', encoding='UTF-8')
# 寫入unicode
f.write(u)
 
# 寫入str，自動進行解碼編碼操作
# GBK編碼的str
s = '漢'
print repr(s) # '/xba/xba'
# 這里會先將GBK編碼的str解碼為unicode再編碼為UTF-8寫入
f.write(s) 
f.close()

2.4. 與編碼相關的方法

sys/locale模塊中提供了一些獲取當前環境下的默認編碼的方法。

# coding:gbk
 
import sys
import locale
 
def p(f):
    print '%s.%s(): %s' % (f.__module__, f.__name__, f())
 
# 返回當前系統所使用的默認字符編碼
p(sys.getdefaultencoding)
 
# 返回用于轉換Unicode文件名至系統文件名所使用的編碼
p(sys.getfilesystemencoding)
 
# 獲取默認的區域設置并返回元祖(語言, 編碼)
p(locale.getdefaultlocale)
 
# 返回用戶設定的文本數據編碼
# 文檔提到this function only returns a guess
p(locale.getpreferredencoding)
 
# /xba/xba是'漢'的GBK編碼
# mbcs是不推薦使用的編碼，這里僅作測試表明為什么不應該用
print r"'/xba/xba'.decode('mbcs'):", repr('/xba/xba'.decode('mbcs'))
 
#在筆者的Windows上的結果(區域設置為中文(簡體, 中國))
#sys.getdefaultencoding(): gbk
#sys.getfilesystemencoding(): mbcs
#locale.getdefaultlocale(): ('zh_CN', 'cp936')
#locale.getpreferredencoding(): cp936
#'/xba/xba'.decode('mbcs'): u'/u6c49'

3.一些建議

3.1. 使用字符編碼聲明，并且同一工程中的所有源代碼文件使用相同的字符編碼聲明。

這點是一定要做到的。

3.2. 拋棄str，全部使用unicode。

按引號前先按一下u最初做起來確實很不習慣而且經常會忘記再跑回去補，但如果這么做可以減少90%的編碼問題。如果編碼困擾不嚴重，可以不參考此條。

3.3. 使用codecs.open()替代內置的open()。

如果編碼困擾不嚴重，可以不參考此條。

3.4. 絕對需要避免使用的字符編碼：MBCS/DBCS和UTF-16。

這里說的MBCS不是指GBK什么的都不能用，而是不要使用Python里名為'MBCS'的編碼，除非程序完全不移植。

Python中編碼'MBCS'與'DBCS'是同義詞，指當前Windows環境中MBCS指代的編碼。Linux的Python實現中沒有這種編碼，所以一旦移植到Linux一定會出現異常！另外，只要設定的Windows系統區域不同，MBCS指代的編碼也是不一樣的。分別設定不同的區域運行2.4小節中的代碼的結果：

#中文(簡體, 中國)
#sys.getdefaultencoding(): gbk
#sys.getfilesystemencoding(): mbcs
#locale.getdefaultlocale(): ('zh_CN', 'cp936')
#locale.getpreferredencoding(): cp936
#'/xba/xba'.decode('mbcs'): u'/u6c49'
 
#英語(美國)
#sys.getdefaultencoding(): UTF-8
#sys.getfilesystemencoding(): mbcs
#locale.getdefaultlocale(): ('zh_CN', 'cp1252')
#locale.getpreferredencoding(): cp1252
#'/xba/xba'.decode('mbcs'): u'/xba/xba'
 
#德語(德國)
#sys.getdefaultencoding(): gbk
#sys.getfilesystemencoding(): mbcs
#locale.getdefaultlocale(): ('zh_CN', 'cp1252')
#locale.getpreferredencoding(): cp1252
#'/xba/xba'.decode('mbcs'): u'/xba/xba'
 
#日語(日本)
#sys.getdefaultencoding(): gbk
#sys.getfilesystemencoding(): mbcs
#locale.getdefaultlocale(): ('zh_CN', 'cp932')
#locale.getpreferredencoding(): cp932
#'/xba/xba'.decode('mbcs'): u'/uff7a/uff7a'