字符编码发展史5 — UTF-16和UTF-32

上一篇《字符编码发展史4 — Unicode与UTF-8》我们讲解了Unicode字符集与UTF-8编码。本篇我们将继续讲解字符编码的第三个发展阶段中的UTF-16和UTF-32。

2.3. 第三个阶段国际化

2.3.2. Unicode的编码方式

2.3.2.2. UTF-16

UTF-16也是一种变长编码，对于一个Unicode字符被编码成1至2个码元，每个码元为2个字节(16位)。UTF-16编码会有字节序的问题，所以根据大小端又分为大端UTF-16(UTF-16 BE)和小端UTF-16(UTF-16 LE)。

1. 基本平面（码点范围U+0000-U+FFFF）

在基本多语言平面内的码位UTF-16编码使用1个码元且其值与Unicode是相等的（不需要转换）。举例如下：

Unicode	字符	UTF-16（码元）	UTF-16 LE（字节）	UTF-16 BE（字节）
`U+0041`	A	`0x0041`	`0x41 0x00`	`0x00 0x41`
`U+03A9`	Ω	`0x03A9`	`0xA9 0x03`	`0x03 0xA9`
`U+6653`	晓	`0x6653`	`0x53 0x66`	`0x66 0x53`

2. 辅助平面（码点范围U+10000-U+10FFFF）

辅助平面的码点在UTF-16中被编码为一对双字节(16位)的码元（即32位，4字节），称作代理对(surrogate pair)，编号范围：0xD800~0xDFFF，也就是前文提到的代理区的范围。这也就是为什么基本多语言平面会保留一块代理区(0xD800~0xDFFF)的码点不定义任何字符的原因。

组成代理对的两个码元前一个称为前导代理(lead surrogates)范围为0xD800-0xDBFF，可表达1024(2^10)个码元；后一个称为后尾代理(trail surrogates)范围为0xDC00-0xDFFF,可表达1024(2^10)个码元。这样两个码元组合在一起就可以表达 2^20(2^10 * 2 ^ 10)个编码，正好和辅助平面的码点范围U+10000-U+10FFFF对应。

UTF-16辅助平面代理对与Unicode的对应关系如下表。

第一列: 表示前导代理。
第一行: 表示后尾代理。
表格内容: 表示Unicode的码点编号。

\	0xDC00	0xDC01	…	0xDFFF
0xD800	U+10000	U+10001	…	U+103FF
0xD801	U+10400	U+10401	…	U+107FF
⋮	⋮	⋮	⋱	⋮
0xDBFF	U+10FC00	U+10FC01	…	U+10FFFF

举例如下

Unicode	字符	UTF-16（码元）	UTF-16 LE（字节）	UTF-16 BE（字节）
U+2A6A5	𪚥	0xD869 0xDEA5	0x69 0xD8 0xA5 0xDE	0xD8 0x69 0xDE 0xA5

3. 优缺点

优点:
1. 绝大部分的文字都可以用两个字节编码，对于CJK文字是比较节省空间的；
2. 文本处理比UTF-8方便得多。
缺点:
1. 存储和传输需要考虑字节序的问题；
2. 不兼容ASCII(准确的说是半兼容，编码值是一样的，只是需要用两个字节来表示)。

2.3.2.3. UTF-32

1. UTF-32的编码规则

UTF-32是一种定长编码，使用1个32bit的码元，其值与Unicode编码值相等。举例如下:

Unicode	字符	UTF-32（码元）	UTF-32 LE（字节）	UTF-32 BE（字节）
`U+0041`	A	`0x00000041`	`0x41 0x00 0x00 0x00`	`0x00 0x00 0x00 0x41`
`U+03A9`	Ω	`0x000003A9`	`0xA9 0x03 0x00 0x00`	`0x00 0x00 0x03 0xA9`
`U+6653`	晓	`0x00006653`	`0x53 0x66 0x00 0x00`	`0x00 0x00 0x66 0x53`
`U+2A6A5`	𪚥	`0x0002A6A5`	`0xA5 0xA6 0x02 0x00`	`0x00 0x02 0xA6 0xA5`

UTF-32同样有大小端的问题。

2. 优缺点

优点：是编码定长容易进行文本处理。
缺点：是浪费存储空间及存在字节序的问题。

2.3.2.4. UCS-2 与 UCS-4

前文提到：历史上存在两个独立的尝试创立单一字符集的组织，即国际标准化组织(ISO)和统一码联盟。统一码联盟除了收录字符集外，还制定过两套字符编码方案：UCS2和UCS4。

1. UCS-2

UCS-2是一种定长编码，编码范围为0x0000-0xFFFF，在基本多语言平面内与UTF-16是等价。UCS2没有类似于UTF-16中代理对的概念，所以对于0xD869 0xDEA5会识别成两个字符。所以它只能表示基本平面的字符，不能表示全部的Unicode字符。UCS2后来被UTF-16替代，现在基本已经被废弃了。

2. UCS-4

UCS-4的编码方式与UTF-32几乎一样，后来两个组织统一标准后，就变成了UTF-32。不过ISO组织规定Unicode的编码空间会限定在0x000000~0x10FFFF之间，而UCS4的编码范围能到0~0xFFFFFFFF。因此也可以认为：UTF-32 是 UCS-4 的一个子集。