C语言/C++字符编码方式解析

本节对操作系统里的字符编码进行简单介绍，这对于程序的跨平台开发、汉字乱码问题解决等都是很重要的知识，了解这些知识就不再害怕遇到程序乱码的问题了。

ANSI 多字节编码

在最早的时期，计算机只支持英文字符，那时都是用 ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换代码）编码，一个字母或符号只需要一个字节存储。随着计算机的推广应用，越来越多的国家和地区面临本地语言文字如何在计算机里使 用和显示的问题。对于中文 DOS 系统和早期的中文 Windows 系统，大陆制定了国标码 GB2312，台港澳地区则使用了大五码 Big5。微软针对这些本地化字符编码采用的就是用 ANSI（American National Standards Institute，美国国家标准学会）多字节编码方式，系统里的英文和符号就使用单字节的 ASCII（0x00~0x7f），而对于汉字之类的本地化字符编码，就采用 0x80~0xFF 范围内的多个字节来表示，这样既能兼容 ASCII ，又能正常使用本地化语言文字。

大陆的国标码发展了好几代，归结如下：

中文字符编码	说明
GB2312	1980 年发布，收录了 7445 个字符，包括 6763 个汉字和 682 个其它符号。汉字是双字节编码。
GBK	1995 年发布，收录了 21886 个符号，包括 21003 个汉字和 883 个其它符号。汉字是双字节编码。简体中文 Windows 目前默认采用这种本地化编码。
GB18030-2000	2000 年发布，收录了 27533 个汉字，汉字分为双字节编码部分和四字节编码部分。
GB18030-2005	2005 年发布，收录了 70244 个汉字，汉字也分为双字节编码部分和四字节编码部分。

新的国标码标准通常是兼容旧的编码方式的，所以一般对简体中文的文本选择 GBK 或 GB18030 编码都是可以正常显示的。微软针对各种本地化语言的页面有自己的编号方式，GBK 对应的代码页编号是 936，GB18030 对应的代码页编号是 54936，Big5 对应的代码页编号是 950。

关于汉字编码可以参考：http://www.fmddlmyy.cn/text24.html

关于代码页编号可以参考：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A3%E7%A0%81%E9%A1%B5

Unicode 系列编码

ANSI 多字节编码解决了各种语言文字的本地化使用问题，也有它自己的缺陷：各地制定的编码标准只对自己的语言文字有效，而不同语言文字的编码都是冲突的，因为大家都用 0x80~0xFF 范围字节表示自己的语言文字，而不考虑别的语言文字如何编码，冲突在所难免。比如简体中文（GBK）的文本放到繁体中文（Big5）的操作系统里，就被默认解析成繁体字编码，两种编码是冲突的，就会显示混乱的繁体字，反过来也一样。

因此国际组织制定了 Unicode 编码，也叫万国码、国际码等，这种字符编码是对全球语言统一分配编码区间，各种语言字符互相不冲突，都可以兼容使用。Unicode 编码从最初的 1.0，慢慢发展到今年发布的 8.0，包含的语言文字越来越多。

Unicode 编码系统，可分为编码方式和实现方式两个层次。对于国际组织发布的 Unicode 编码标准，对应的就是编码方式，最常用的是 UCS-2（Universal Character Set 2），采用两字节编码一个字符。当然国际语言文字太多，两字节不够用了，就有四字节编码方式 UCS-4。这个仅仅是标准，而不是实现，在编码实现的过程中，有些考虑兼容旧的单字节 ASCII 编码，有些不考虑兼容性；有些考虑双字节中哪个字节放在前面，哪个字节放在后面的问题，即 BOM（Byte Order Mark，字节顺序标记）的作用。因此诞生了多种国际码的实现方式，统称为 Unicode 转换格式（Unicode Transformation Format，UTF）：

Unicode 转换格式	说明
UTF-8	灵活的变长编码，对于 ASCII 使用一个字节编码，其他本地化语言文字用多个字节编码，最长可以到 6 个字节编码一个字符。对于汉字，通常是 3 个字节表示一个汉字。这是 Unix/Linux 系统默认的字符编码。
UTF-16	兼容 UCS-2，一般都是两字节表示一个字符，对于超出两字节的国际码字符，使用一对两字节来表示。在存储时，按两个字节的排布顺 序，可以分为 UTF-16LE（Little Endian，小端字节序）和UTF-16BE（Big Endian，大端字节序），微软所说的 Unicode 默认就是 UTF-16LE。
UTF-32	同 UCS-4，因为用四个字节表示一个字符，所以不需要考虑扩展了。这种编码方式简单，但也特别浪费空间，所以应用很少。在存储时也分为 UTF-32BE 和 UTF-32LE，因为用得少，所以不用太关心这种编码格式。

关于 Unicode 编码格式参考：http://baike.baidu.com/view/40801.htm

关于 UTF 和 BOM 参考：http://www.unicode.org/faq/utf_bom.html

C++使用的字符串

在 C++ 中，以前通常使用 char 表示单字节的字符，使用 wchar_t 表示宽字符，对国际码提供一定程度的支持。 char * 字符串有专门的封装类 std::string 来处理，标准输入输出流是 std::cin 和 std::cout 。对于 wchar_t * 字符串，其封装类是 std::wstring，标准输入输出流是 wcin 和 wcout。

虽然规定了宽字符，但是没有明确一个宽字符是占用几个字节，Windows 系统里的宽字符是两个字节，就是 UTF-16；而 Unix/Linux 系统里为了更全面的国际码支持，其宽字符是四个字节，即 UTF-32 编码。这为程序的跨平台带来一定的混乱，除了 Windows 程序开发常用 wchar_t* 字符串表示 UTF-16 ，其他情况下 wchar_t* 都用得比较少。

MFC 一般用自家的 TCHAR 和 CString 类支持国际化，当没有定义 _UNICODE 宏时，TCHAR = char，当定义了 _UNICODE宏 时，TCHAR = wchar_t，CString 内部也是类似的。Qt 则用 QChar 和 QString 类（内部恒定为 UTF-16），一般的图形开发库都用自家的字符串类库。

在新标准 C++11 中，对国际码的支持做了明确的规定：

• char * 对应 UTF-8 编码字符串（代码表示如 u8"多种文字"），封装类为 std::string；
• 新增 char16_t * 对应 UTF-16 编码字符串（代码表示如 u"多种文字"），封装类为 std::u16string ；
• 新增 char32_t * 对应 UTF-32 编码字符串（代码表示如 U"多种文字"），封装类为 std::u32string 。

因为 Qt 有封装好的 QString，所以不太需要这些新增的字符串格式。关于 C++11 字符串更详细的内容参考：http://blog.poxiao.me/p/unicode-character-encoding-conversion-in-cpp11/

源文件字符编码测试

在 Windows 系统里最常用的文本字符编码格式是 ANSI （简体是 GBK，繁体是 Big5）和 Unicode （UTF-16LE）格式，Windows 命令行默认的输入输出格式是 ANSI 的。在 Linux 系统里统统都是 UTF-8 ，这个比较省心。

Windows 自带的记事本，以及 Notepad++ 工具、Linux 系统里的 kwrite、gedit 等都支持各种编码格式的文本显示。以 Windows 记事本为例，打开任意一个文本文件，选择菜单“文件 –> 另存为”，点开“另存为”对话框最下面的“编码”：

图上四种格式分别是：

编码格式	说明
ANSI	本地化语言文字编码，简体操作系统是 GBK，繁体操作系统就是 Big5，Windows 命令行默认用的字符编码是和这个一样的。
Unicode	Windows 所说的国际码一般都指这个 UTF-16LE，文件开头带有 BOM 标记（2字节）。
Unicode big endian	即 UTF-16BE，这个很少用到，文件开头也带 BOM 标记（2字节）。
UTF-8	这是 Unix/Linux 系统里通用的国际码存储交换格式，记事本保存的文件开头会有 UTF-8 签名（3字节，类似 BOM）。

下面我们测试三个不同编码格式的 cpp 文件，查看其编译运行效果。首先猛击这里下载本节要使用的三种编码格式的源文件，并解压到 D:/QtDemo 目录。

解压后可以看到 GBK.cpp、UTF-8.cpp、UTF-16.cpp 三个文件，如文件名所述，第一个是 ANSI+GBK 编码的源文件，第二个是 UTF-8 编码的源文件，第三个是 UTF-16LE（Windows默认的Unicode）编码的源文件。用记事本打开查看它们的内容是完全一样的：

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    char theStr[] = "1234打印汉字";
    cout<<"str length: "<<strlen(theStr)<<endl;
    cout<<theStr;
   
    return 0;
}

注意看文件存储的字节数：

• GBK.cpp 是 231 字节，231 = 2*4（汉字） + 223 (其他英文和符号)；
• UTF-8.cpp 是 238 字节，238 = 3*4（汉字）+ 3（文件头签名）+ 223 (其他英文和符号)；
• UTF-16.cpp 是 456 字节，456 = 2*4（汉字）+ 2（BOM）+ 223*2 （其他英文和符号）。

然后我们在Windows下的 Qt 命令行尝试用 g++ 编译这些代码，并运行生成的程序，挨个测试。

1) 测试 GBK.cpp：

D:/Qt/5.9/mingw53_32> cd /d D:/QtDemo
D:/QtDemo> g++ GBK.cpp -o GBK
D:/QtDemo> GBK.exe
str length: 12
1234打印汉字

2) 测试 UTF-8.cpp：

D:/Qt/5.9/mingw53_32> cd /d D:/QtDemo
D:/QtDemo> g++ UTF-8.cpp -o UTF-8
D:/QtDemo> UTF-8.exe
str length: 16
1234鎵撳嵃姹夊瓧

3) 测试 UTF-16.cpp：

D:/Qt/5.9/mingw53_32> cd /d D:/QtDemo
D:/QtDemo> g++ UTF-16.cpp -o UTF-16
D:/QtDemo> UTF-16.exe
********此处省略若干行********
UTF-16.cpp:21:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:11: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:13: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:15: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:17: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:19: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:21: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:25: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:27: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:22:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:23:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:23:3: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:24:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:25:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:1:5: error: 'i' does not name a type
? i n c l u d e   < i o s t r e a m >
     ^
UTF-16.cpp:9:2: error: 'i' does not name a type
          c o u t < < t h e S t r ;
  ^

第一个 GBK 编码的程序是正常的，那是因为作者使用的 Windows 命令行默认的代码页是 936 ，命令行里的输入输出都是 GBK 编码的，与源文件编码格式一致，所以显示正确。

第二个 UTF-8 正常编译，但是源文件里的 UTF-8 汉字编码与 Windows 命令行代码页编码格式不符合，所以显示的汉字乱码，而数字是没问题的。UTF-8 和 GBK 都是兼容 ASCII 单字节编码的。

第三个 UTF-16 编译根本不成功，因为 UTF-16 里面一个字符用双字节表示，导致源文件有大量的数值为 0 的字节（被编译器认为是 null），因此编译失败了。这也是 UTF-16 不兼容 ASCII 单字节编码的弊端。

如果在 Linux 系统里用 g++ 编译上面三个文件，结果是 GBK 编码程序可以编译，运行乱码；UTF-8 编码程序可以编译，运行正常；UTF-16 编码程序是无法通过编译的。Linux 系统里命令行默认的输入输出都是 UTF-8 编码，所以只有 UTF-8 的程序才会正常。GBK 的能正常编译是因为兼容 ASCII 单字节编码的缘故，无论是英文变量名还是符号，都与 UTF-8 的编码一致，只有非 ASCII 字符才会显示不正常。

那么 UTF-16 的源代码谁能正常编译呢？答案就是微软出的 Visual Studio，微软自家用的 Unicode 还得靠 MSVC 编译器来编译：

cl UTF-16.cpp /EHsc

请看下面的截图：

可以看到 MSVC 编译器是能正常编译 UTF-16 的源文件，显示也很正常。感兴趣的读者可以用 MSVC 编译器（VS2010 SP1以上版本）把三个源文件都测试一遍，可以发现 MSVC 编译器生成的 exe 运行都是正常显示汉字的，这是为什么呢？

可以大致理解为：
① g++ 编译器不会对源文件里的字符串做转码。上面 g++ 生成的 GBK.exe 与 UTF-8.exe 二进制文件内容是有多处差异的。在 Windows 系统里源文件是 GBK ，其命令行编码也是 GBK，所以 GBK 编码的程序正常显示汉字；在 Linux 系统里源文件是 UTF-8，其命令行编码也是 UTF-8，所以 UTF-8 编码的程序正常显示汉字。

② MSVC 编译器会根据不同的源文件编码格式进行转码，文件中 char * 字符串一律转成本地化的 ANSI 多字节编码， wchar_t * 字符串一律转成 Unicode（UTF-16LE）。用 MSVC 生成的 GBK.exe、UTF-8.exe、UTF-16.exe 三个二进制文件，除了 PE 文件头有几字节区别，程序主体就是完全一样的，这三个 exe 内部的字符串全是 ANSI 多字节编码的，当然都能正常显示汉字。

从跨平台运行的角度，我们推荐 UTF-8 编码的源文件，这也是 Qt5 官方规定的源文件格式。