python 字符编码

python 编码转换

了解字符编码的知识储备

  • 文本编辑器存取文件的原理(nodepad++,pycharm,word)

   打开编辑器就打开了启动了一个进程,是在内存中的,所以在编辑器编写的内容也都是存放与内存中的,断电后数据丢失,因而需要保存到硬盘上,点击保存按钮,就从内存中把数据刷到了硬盘上。在这一点上,我们编写一个py文件(没有执行),跟编写其他文件没有任何区别,都只是在编写一堆字符而已。

  即:在没有点击保存时,我们所写的内容都是写入内存。注意这一点,很重要!!当我们点击保存,内容才被刷到硬盘。

  上面做了两件事:写内容到内存,从内存将内存刷到硬盘。这是两个过程。

  • python解释器执行py文件的原理 ,例如python test.py

​ 第一阶段:python解释器启动,此时就相当于启动了一个文本编辑器

  第二阶段:python解释器相当于文本编辑器,去打开test.py文件,从硬盘上将test.py的文件内容读入到内存中

  第三阶段:python解释器解释执行刚刚加载到内存中test.py的代码

  python解释器执行py文件分为两个步骤:1.将文件读到内存,2.解释执行内容。

  • 字符编码简介

   编码/解码本质上是一种映射(对应关系),比如‘a’用ascii编码则是65,计算机中存储的就是00110101,但是显示的时候不能显示00110101,还是要显示’a’,但计算机怎么知道00110101是’a’呢,这就需要解码,当选择用ascii解码时,当计算机读到00110101时就到对应的ascii表里一查发现是’a’,就显示为’a’

​ 编码:真实字符与二进制串的对应关系,真实字符→二进制串

​ 解码:二进制串与真实字符的对应关系,二进制串→真实字符

​ 要搞清楚字符编码,首先要解决的问题是:什么是字符编码?

  我们都知道,计算机要想工作必须通电,也就是说‘电’驱使计算机干活,而‘电’的特性,就是高低电平(高低平即二进制数1,低电平即二进制数0),也就是说计算机只认识数字(010101).如果我们想保存数据,首先得将我们的数据进行一些处理,最终得转换成010101才能让计算机识别。

  所以必须经过一个过程:

  字符——–(翻译过程)——->数字

  这个过程实际就是一个字符如何对应一个特定数字的标准,这个标准称之为字符编码。

  那么问题就来了?作为一种编码方案,还得解决两个问题:

    a.字节是怎么分组的,如8 bits或16 bits一组,这也被称作编码单元。

    b.编码单元和字符之间的映射关系。例如,在ASCII码中,十进制65映射到字母A上。

  ASCII码是上个世纪最流行的编码体系之一,至少在西方是这样。下图显示了ASCII码中编码单元是怎么映射到字符上的。

​ 随着计算机越来越流行,厂商之间的竞争更加激烈,在不同的计算机体系间转换数据变得十分蛋疼,人们厌烦了这种自定义造成的混乱。最终,计算机制造商一起制定了一个标准的方法来描述字符。他们定义使用一个字节的低7位来表示字符,并且制作了如上图所示的对照表来映射七个比特的值到一个字符上。例如,字母A是65,c是99,~是126等等, ASCII码就这样诞生了。原始的ASCII标准定义了从0到127 的字符,这样正好能用七个比特表示。

  为什么选择了7个比特而不是8个来表示一个字符呢?我并不关心。但是一个字节是8个比特,这意味着1个比特并没有被使用,也就是从128到255的编码并没有被制定ASCII标准的人所规定,这些美国人对世界的其它地方一无所知甚至完全不关心。其它国家的人趁这个机会开始使用128到255范围内的编码来表达自己语言中的字符。例如,144在阿拉伯人的ASCII码中是گ,而在俄罗斯的ASCII码中是ђ。ASCII码的问题在于尽管所有人都在0-127号字符的使用上达成了一致,但对于128-255号字符却有很多很多不同的解释。你必须告诉计算机使用哪种风格的ASCII码才能正确显示128-255号的字符。

  总结:ASCII,一个Bytes代表一个字符(英文字符/键盘上的所有其他字符),1Bytes=8bit,8bit可以表示0-2**8-1种变化,即可以表示256个字符,ASCII最初只用了后七位,127个数字,已经完全能够代表键盘上所有的字符了(英文字符/键盘的所有其他字符),后来为了将拉丁文也编码进了ASCII表,将最高位也占用了。

阶段二:为了满足中文,中国人定制了GBK

  GBK:2Bytes代表一个字符;为了满足其他国家,各个国家纷纷定制了自己的编码。日本把日文编到Shift_JIS里,韩国把韩文编到Euc-kr里

阶段三:万国码Unicode编码

  后来,有人开始觉得太多编码导致世界变得过于复杂了,让人脑袋疼,于是大家坐在一起拍脑袋想出来一个方法:所有语言的字符都用同一种字符集来表示,这就是Unicode。

Unicode统一用2Bytes代表一个字符,2**16-1=65535,可代表6万多个字符,因而兼容万国语言.但对于通篇都是英文的文本来说,这种编码方式无疑是多了一倍的存储空间(英文字母只需要一个字节就足够,用两个字节来表示,无疑是浪费空间).于是产生了UTF-8,对英文字符只用1Bytes表示,对中文字符用3Bytes.UTF-8是一个非常惊艳的概念,它漂亮的实现了对ASCII码的向后兼容,以保证Unicode可以被大众接受。

在UTF-8中,0-127号的字符用1个字节来表示,使用和US-ASCII相同的编码。这意味着1980年代写的文档用UTF-8打开一点问题都没有。只有128号及以上的字符才用2个,3个或者4个字节来表示。因此,UTF-8被称作可变长度编码。于是下面字节流如下:

    0100100001000101010011000100110001001111

  这个字节流在ASCII和UTF-8中表示相同的字符:HELLO

  至于其他的UTF-16,这里就不再叙述了。

  总结一点:unicode:简单粗暴,所有字符都是2Bytes,优点是字符—–>数字的转换速度快,缺点是占用空间大。

       utf-8:精准,对不同的字符用不同的长度表示,优点是节省空间,缺点是:字符->数字的转换速度慢,因为每次都需要计算出字符需要多长的Bytes才能够准确表示。

  因此,内存中使用的编码是unicode,用空间换时间(程序都需要加载到内存才能运行,因而内存应该是尽可能的保证快);硬盘中或者网络传输用utf-8,网络I/O延迟或磁盘I/O延迟要远大与utf-8的转换延迟,而且I/O应该是尽可能地节省带宽,保证数据传输的稳定性。

  所有程序,最终都要加载到内存,程序保存到硬盘不同的国家用不同的编码格式,但是到内存中我们为了兼容万国(计算机可以运行任何国家的程序原因在于此),统一且固定使用unicode,这就是为何内存固定用unicode的原因,你可能会说兼容万国我可以用utf-8啊,可以,完全可以正常工作,之所以不用肯定是unicode比utf-8更高效啊(uicode固定用2个字节编码,utf-8则需要计算),但是unicode更浪费空间,没错,这就是用空间换时间的一种做法,而存放到硬盘,或者网络传输,都需要把unicode转成utf-8,因为数据的传输,追求的是稳定,高效,数据量越小数据传输就越靠谱,于是都转成utf-8格式的,而不是unicode。

不管是哪种类型的文件,只要记住一点:文件以什么编码保存的,就以什么编码方式打开.

  下面我们来看看python中关于编码出现的问题:

  如果不在python文件指定头信息#--coding:utf-8--,那就使用默认的python2中默认使用ascii,python3中默认使用utf-8

  读取已经加载到内存的代码(unicode编码的二进制),然后执行,执行过程中可能会开辟新的内存空间,比如x=”hello”

  内存的编码使用unicode,不代表内存中全都是unicode编码的二进制,在程序执行之前,内存中确实都是unicode编码的二进制,比如从文件中读取了一行x=”hello”,其中的x,等号,引号,地位都一样,都是普通字符而已,都是以unicode编码的二进制形式存放与内存中的.但是程序在执行过程中,会申请内存(与程序代码所存在的内存是俩个空间),可以存放任意编码格式的数据,比如x=”hello”,会被python解释器识别为字符串,会申请内存空间来存放”hello”,然后让x指向该内存地址,此时新申请的该内存地址保存也是unicode编码的hello,如果代码换成x=”hello”.encode(‘utf-8’),那么新申请的内存空间里存放的就是utf-8编码的字符串hello了.

  

  浏览网页的时候,服务器会把动态生成的Unicode内容转换为UTF-8再传输到浏览器

      

  如果服务端encode的编码格式是utf-8, 客户端内存中收到的也是utf-8编码的二进制

 Python3 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。

  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。

#在python3中也有两种字符串类型str和bytes
#str类型变为unicode类型
#coding:utf-8
s='林' #当程序执行时,无需加u,'林'也会被以unicode形式保存新的内存空间中,
#s可以直接encode成任意编码格式
s.encode('utf-8')
s.encode('gbk')
print(type(s)) #<class 'str'>
#bytes类型
#coding:utf-8
s='林' #当程序执行时,无需加u,'林'也会被以unicode形式保存新的内存空间中,
#s可以直接encode成任意编码格式
s1=s.encode('utf-8')
s2=s.encode('gbk')
print(s) #林
print(s1) #b'\xe6\x9e\x97' 在python3中,是什么就打印什么
print(s2) #b'\xc1\xd6' 同上
print(type(s)) #<class 'str'>
print(type(s1)) #<class 'bytes'>
print(type(s2)) #<class 'bytes'>

python3 文件默认编码是utf-8,字符串编码是unicode,以utf-8或者gbk等代码,加载到内存,会自动转为unicode正常显示。

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