Unicode和UTF-8、UTF-16到底有什么不同？

由于字符编码不同，计算机在不同国家之间的交流变得很困难，经常会出现乱码的问题，比如：对于同一个二进制数据，不同的编码会解析出不同的字符。

当互联网迅猛发展，地域限制打破之后，人们迫切的希望有一种统一的规则, 对所有国家和地区的字符进行编码，于是 Unicode 就出现了。

Unicode 简介

Unicode 是国际标准字符集，它将世界各种语言的每个字符定义一个唯一的编码，以满足跨语言、跨平台的文本信息转换。

Unicode 字符集的编码范围是0x0000 - 0x10FFFF, 可以容纳一百多万个字符， 每个字符都有一个独一无二的编码，也即每个字符都有一个二进制数值和它对应，这里的二进制数值也叫码点, 比如：汉字"中"的 码点是0x4E2D, 大写字母A的码点是0x41, 具体字符对应的 Unicode 编码可以查询Unicode字符编码表。

字符集和字符编码

字符集是很多个字符的集合，例如 GB2312 是简体中文的字符集，它收录了六千多个常用的简体汉字及一些符号，数字，拼音等字符

字符编码是 字符集的一种实现方式，把字符集中的字符映射为特定的字节或字节序列，它是一种规则

比如：Unicode 只是字符集，UTF-8、UTF-16、UTF-32 才是真正的字符编码规则

Unicode 字符存储

Unicode 是一个符号集， 它只规定了每个符号的二进制值，但是符号具体如何存储它并没有规定

前面提到, Unicode 字符集的编码范围是0x0000 - 0x10FFFF，因此需要 1 到 3 个字节来表示

那么，对于三个字节的 Unicode字符，计算机怎么知道它表示的是一个字符而不是三个字符呢 ？

如果所有字符都用三个字节表示，那么对于那些一个字节就能表示的字符来说，有两个字节是无意义的，对于存储来说，这是极大的浪费，假如 , 一个普通的文本, 大部分字符都只需一个字节就能表示，现在如果需要三个字节才能表示，文本的大小会大出三倍左右

因此，Unicode 出现了多种存储方式，常见的有 UTF-8、UTF-16、UTF-32，它们分别用不同的二进制格式来表示 Unicode 字符

UTF-8、UTF-16、UTF-32 中的 "UTF" 是 "Unicode Transformation Format" 的缩写，意思是"Unicode 转换格式"，后面的数 字表明至少使用多少个比特位来存储字符, 比如：UTF-8 最少需要8个比特位也就是一个字节来存储，对应的， UTF-16 和 UTF-32 分别需要最少 2 个字节 和 4 个字节来存储

UTF-8 编码

UTF-8: 是一种变长字符编码，被定义为将码点编码为 1 至 4 个字节，具体取决于码点数值中有效二进制位的数量

UTF-8 的编码规则:

对于单字节的符号，字节的第一位设为0，后面 7 位为这个符号的 Unicode 码。因此对于英语字母，UTF-8 编码和 ASCII 码是相同的, 所以 UTF-8 能兼容 ASCII 编码，这也是互联网普遍采用 UTF-8 的原因之一

对于n字节的符号（n > 1），第一个字节的前n位都设为1，第n + 1位设为0，后面字节的前两位一律设为10。剩下的没有提及的二进制位，全部为这个符号的 Unicode 码

下表是Unicode编码对应UTF-8需要的字节数量以及编码格式

Unicode编码范围(16进制)	UTF-8编码方式(二进制)
000000 - 00007F	0xxxxxxxASCII码
000080 - 0007FF	110xxxxx10xxxxxx
000800 - 00FFFF	1110xxxx10xxxxxx10xxxxxx
01 0000 - 10 FFFF	11110xxx10xxxxxx10xxxxxx10xxxxxx

表格中第一列是Unicode编码的范围，第二列是对应UTF-8编码方式，其中红色的二进制"1"和"0"是固定的前缀, 字母x表示可用编码的二进制位

根据上面表格，要解析 UTF-8 编码就很简单了，如果一个字节第一位是0，则这个字节就是一个单独的字符，如果第一位是1，则连续有多少个1，就表示当前字符占用多少个字节

下面以"中"字 为例来说明 UTF-8 的编码，具体的步骤如下图， 为了便于说明，图中左边加了1，2，3，4的步骤编号

首先查询"中"字的 Unicode 码0x4E2D, 转成二进制, 总共有 16 个二进制位， 具体如上图 步骤1 所示

通过前面的 Unicode 编码和 UTF-8 编码的表格知道，Unicode 码0x4E2D对应000800 - 00FFFF的范围，所以,"中"字的 UTF-8 编码 需要3个字节，即格式是1110xxxx10xxxxxx10xxxxxx

然后从"中"字的最后一个二进制位开始，按照从后向前的顺序依次填入格式中的x字符，多出的二进制补为0， 具体如上图 步骤2、步骤3 所示

于是，就得到了"中"的 UTF-8 编码是111001001011100010101101, 转换成十六进制就是0xE4B8AD， 具体如上图 步骤4 所示

UTF-16 编码

UTF-16 也是一种变长字符编码, 这种编码方式比较特殊, 它将字符编码成 2 字节 或者 4 字节

具体的编码规则如下:

对于 Unicode 码小于0x10000的字符， 使用2个字节存储，并且是直接存储 Unicode 码，不用进行编码转换

对于 Unicode 码在0x10000和0x10FFFF之间的字符，使用4个字节存储，这4个字节分成前后两部分，每个部分各两个字节，其中，前面两个字节的前6位二进制固定为110110，后面两个字节的前 6 位二进制固定为110111, 前后部分各剩余 10 位二进制表示符号的 Unicode 码 减去0x10000的结果

大于0x10FFFF的 Unicode 码无法用 UTF-16 编码

下表是Unicode编码对应UTF-16编码格式

Unicode编码范围(16进制)	具体Unicode码(二进制)	UTF-16编码方式(二进制)	字节
0000 0000 - 0000 FFFF	xxxxxxxx xxxxxxxx	xxxxxxxx xxxxxxxx	2
0001 0000 - 0010 FFFF	yy yyyyyyyy xx xxxxxxxx	110110yy yyyyyyyy110111xx xxxxxxxx	4

表格中第一列是Unicode编码的范围，第二列是 具体Unicode码的二进制 ( 第二行的第二列表示的是 Unicode 码 减去0x10000后的二进制 ) , 第三列是对应UTF-16编码方式，其中红色的二进制"1"和"0"是固定的前缀, 字母x和y表示可用编码的二进制位， 第四列表示 编码占用的字节数

前面提到过，"中"字的 Unicode 码是4E2D, 它小于0x10000，根据表格可知，它的 UTF-16 编码占两个字节，并且和 Unicode 码相同，所以"中"字的 UTF-16 编码为4E2D

我从Unicode字符表网站找了一个老的南阿拉伯字母, 它的 Unicode 码是:0x10A6F, 可以访问https://unicode-table.com/cn/10A6F/查看字符的说明, Unicode 码对应的字符如下图所示

下面以这个 老的南阿拉伯字母的 Unicode 码0x10A6F为例来说明 UTF-164字节的编码，具体步骤如下，为了便于说明，图中左边加了1，2，3，4 、5的步骤编号

首先把 Unicode 码0x10A6F转成二进制, 对应上图的 步骤 1

然后把 Unicode 码0x10A6F减去0x10000, 结果为0xA6F并把这个值转成二进制00 0000001010 01101111，对应上图的 步骤 2

然后 从二进制00 0000001010 01101111的最后一个二进制为开始，按照从后向前的顺序依次填入格式中的x和y字符，多出的二进制补为0， 对应上图的 步骤 3、 步骤 4

于是，就计算出了 Unicode 码0x10A6F的 UTF-16 编码是11011000 0000001011011110 01101111, 转换成十六进制就是0xD802DE6F， 对应上图的 步骤 5

UTF-32 编码

UTF-32 是固定长度的编码，始终占用 4 个字节，足以容纳所有的 Unicode 字符，所以直接存储 Unicode 码即可，不需要任何编码转换。虽然浪费了空间，但提高了效率。

UTF-8、UTF-16、UTF-32 之间如何转换

前面介绍过，UTF-8、UTF-16、UTF-32 是 Unicode 码表示成不同的二进制格式的编码规则，同样，通过这三种编码的二进制表示，也能获得对应的 Unicode 码，有了字符的 Unicode 码，按照上面介绍的 UTF-8、UTF-16、UTF-32 的编码方法 就能转换成任一种编码了

UTF 字节序

最小编码单元是多字节才会有字节序的问题存在，UTF-8 最小编码单元是一字节，所以 它是没有字节序的问题，UTF-16 最小编码单元是 2 个字节，在解析一个 UTF-16 字符之前，需要知道每个编码单元的字节序

比如：前面提到过，"中"字的 Unicode 码是4E2D,"ⵎ"字符的 Unicode 码是2D4E， 当我们收到一个 UTF-16 字节流4E2D时，计算机如何识别它表示的是字符"中"还是 字符"ⵎ"呢 ?

所以，对于多字节的编码单元，需要有一个标记显式的告诉计算机，按照什么样的顺序解析字符，也就是字节序，字节序分为 大端字节序 和 小端字节序

小端字节序简写为 LE( Little-Endian ), 表示 低位字节在前，高位字节在后, 高位字节保存在内存的高地址端，而低位字节保存在内存的低地址端

大端字节序简写为 BE( Big-Endian ), 表示 高位字节在前，低位字节在后，高位字节保存在内存的低地址端，低位字节保存在在内存的高地址端

下面以0x4E2D为例来说明大端和小端，具体参见下图:

数据是从高位字节到低位字节显示的，这也更符合人们阅读数据的习惯，而内存地址是从低地址向高地址增加

所以，字符0x4E2D数据的高位字节是4E，低位字节是2D

按照大端字节序的高位字节保存内存低地址端的规则，4E保存到低内存地址0x10001上，2D则保存到高内存地址0x10002上

对于小端字节序，则正好相反，数据的高位字节保存到内存的高地址端，低位字节保存到内存低地址端的，所以4E保存到高内存地址0x10002上，2D则保存到低内存地址0x10001上

BOM

BOM 是 byte-order mark 的缩写，是 "字节序标记" 的意思, 它常被用来当做标识文件是以 UTF-8、UTF-16 或 UTF-32 编码的标记

在 Unicode 编码中有一个叫做 "零宽度非换行空格" 的字符 ( ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE ), 用字符FEFF来表示

对于 UTF-16 ，如果接收到以FEFF开头的字节流， 就表明是大端字节序，如果接收到FFFE， 就表明字节流 是小端字节序

UTF-8 没有字节序问题，上述字符只是用来标识它是 UTF-8 文件，而不是用来说明字节顺序的。"零宽度非换行空格" 字符 的 UTF-8 编码是EF BB BF, 所以如果接收到以EF BB BF开头的字节流，就知道这是UTF-8 文件

下面的表格列出了不同 UTF 格式的固定文件头

UTF编码	固定文件头
UTF-8	EF BB BF
UTF-16LE	FF FE
UTF-16BE	FE FF
UTF-32LE	FF FE 00 00
UTF-32BE	00 00 FE FF

根据上面的 固定文件头，下面列出了"中"字在文件中的存储 ( 包含文件头 )

编码	固定文件头
Unicode 编码	0X004E2D
UTF-8	EF BB BF4E 2D
UTF-16BE	FE FF4E 2D
UTF-16LE	FF FE2D 4E
UTF-32BE	00 00 FE FF00 00 4E 2D
UTF-32LE	FF FE 00 002D 4E 00 00

常见的字符编码的问题

Redis 中文key的显示

有时候我们需要向redis中写入含有中文的数据，然后在查看数据，但是会看到一些其他的字符，而不是我们写入的中文

上图中，我们向redis 写入了一个 "中" 字，通过 get 命令查看的时候无法显示我们写入的 "中" 字

这时候加一个 --raw 参数，重新启动 redis-cli 即可，也即 执行 redis-cli --raw 命令启动redis客户端，具体的如下图所示

MySQL 中的 utf8 和 utf8mb4

MySQL 中的 "utf8" 实际上不是真正的 UTF-8， "utf8" 只支持每个字符最多 3 个字节, 对于超过 3 个字节的字符就会出错, 而真正的 UTF-8 至少要支持 4 个字节

MySQL 中的 "utf8mb4" 才是真正的 UTF-8

下面以 test 表为例来说明, 表结构如下:

mysql> show create table testG *************************** 1. row *************************** Table: test Create Table: CREATE TABLE `test` ( `name` char(32) NOT NULL ) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 1 row in set (0.00 sec)

向test表分别插入"中"字 和 Unicode 码为0x10A6F的字符，这个字符需要从https://unicode-table.com/cn/10A6F/直接复制到 MySQL 控制台上，手工输入会无效，具体的执行结果如下图:

从上图可以看出，插入"中"字 成功，插入0x10A6F字符失败，错误提示无效的字符串，xF0X90XA9xAF正是0x10A6F字符的 UTF-8 编码，占用4个字节, 因为 MySQL 的 utf8 编码最多只支持3个字节，所以插入会失败

把test表的字符集改成utf8mb4, 排序规则 改成utf8bm4_unicode_ci, 具体如下图所示：

字符集和排序方式修改之后，再次插入0x10A6F字符， 结果是成功的，具体执行结果如下图所示

上图中，set names utf8mb4是为了测试方便，临时修改当前会话的字符集，以便保持和 服务器一致，实际解决这个问题需要修改my.cnf配置中 服务器和客户端的字符集

小结

本文从字符编码的历史介绍了 Unicode 出现的原因，接着介绍了 Unicode 字符集中 三种不同的编码方式：UTF-8、UTF-16、UTF-32 以及它们的的编码方法，紧接着介绍了 字节序、BOM ，最后讲到了字符集在 MySQL 和 Redis 应用中常见的问题以及解决方案 。

责任编辑：lq6