UTF-8

Материал из Викиреальностя
Перейти к: навигация, поиск

UTF-8 (от Unicode Transformation Format, 8-bit) — распространённая кодировка символов Юникода, совместимая с 8-битными форматами передачи текста. Нашла широкое применение в операционных системах и веб-пространстве.

В отличие от UTF-16, UTF-8 является самосинхронизирующейся кодировкой: при потере одного байта последующие байты будут раскодированы корректно.

Текст, состоящий только из символов Юникода с номерами меньше 128, при записи в UTF-8 превращается в обычный текст ASCII. И наоборот, в тексте UTF-8 любой байт со значением меньше 128 изображает символ ASCII с тем же кодом. Остальные символы Юникода изображаются последовательностями длиной от 2 до 6 байт (реально только до 4 байт, поскольку использование кодов больше 221 не планируется), в которых первый байт всегда имеет вид 11xxxxxx, а остальные — 10xxxxxx.

Проще говоря, в формате UTF-8 символы латинского алфавита, знаки препинания и управляющие символы ASCII записываются кодами US-ASCII, a все остальные символы кодируются при помощи нескольких байтов со старшим битом 1. Это приводит к двум эффектам.

  • Даже если программа не распознаёт Юникод, то латинские буквы, арабские цифры и знаки препинания будут отображаться правильно.
  • В случае, если латинские буквы и простейшие знаки препинания (включая пробел) занимают существенный объём текста, UTF-8 даёт выигрыш по объёму по сравнению с UTF-16.

На первый взгляд может показаться, что UTF-16 удобнее, так как в ней большинство символов кодируется ровно двумя байтами.

Однако это сводится на нет необходимостью поддержки суррогатных пар, о которых часто забывают при использовании UTF-16, реализуя лишь поддержку символов UCS-2.

Формат UTF-8 был изобретён 2 сентября 1992 года Кеном Томпсоном и Робом Пайком и реализован в Plan 9. Сейчас стандарт UTF-8 официально закреплён в документах RFC 3629 и ISO/IEC 10646 Annex D.

Замечание: Символы, закодированные в UTF-8, могут быть длиной до шести байт, однако стандарт Unicode не определяет символов выше 0x10ffff, поэтому символы Unicode могут иметь максимальный размер в 4 байта в UTF-8.

Содержание

[править] Принцип кодирования

[править] Текстовое описание

В UTF-8 можно кодировать значения кодов символов от 0 до 0x7FFFFFFF включительно (все комбинации 32-битных без установленного старшего бита).

  1. Каждый символ кодируется переменным количеством последовательных 8-битных байт (октетов). Количество же может варьироваться от 1 до 6 байт включительно и определяется самым первым байтом.
  2. Все ASCII-символы (0х00 — 0x7F включительно) записываются как есть одним байтом со сброшенным старшим битом.
  3. Все остальные символы кодируются уже особым образом и далее текст этого раздела касается только их. Чтобы лучше понять принцип, лучше представляйте себе блоки бит с их позицией.
  4. У байт не ASCII-символов старший бит всегда установлен в 1. При этом второй бит всегда сброшен у не первых байт (у первых, соответственно, установлен). Поэтому если чтение производится с произвольного байта, то по второму биту можно определять промежуточные байты.
  5. И у не первых байт остальные 6 младших бит содержат фрагмент кода символа (об этом ниже).

Количество байт, которое отводится под символ, всегда равно количеству идущих подряд старших бит со значением 1 в первом байте. Эти биты всегда завершаются битом со значением 0. Оставшиеся младшие биты первого байта составляют код символа. Отсюда обуславливается ограничение в 6 байт на символ — если выше, то в первом байте уже не хватит места под биты данных. Поэтому последовательности бит 11111110 (0xFE) и 11111111 (0xFF) общепринято считаются не используемыми в UTF-8.

До этого описывалась структура, а теперь про расположение данных.

Как видно из описания выше, каждый байт имеет определённое количество младших бит под данные — переменное у первого и по 6 в последующих. 32-битный код символа последовательно размещается в этих контейнерах. Старшие биты оказываются в первых байтах, а младшие — в последних. Поэтому младшие 6 бит последнего байта всегда содержат биты 0..5 кода символа. Аналогично, предпоследний байт содержат биты 6..11, третий с конца — 12..17, четвёртый — 18..23, пятый — 24..29. Первый байт же содержит оставшиеся старшие биты значения.

Зная структуру и расположение данных внутри байт, теперь рассмотрим взаимосвязь кода символа и количества байт.

Каждое количество байт способно хранить конкретный диапазон значений кода символа. При этом сами диапазоны значений расположены плотно по порядку без всяких просветов.

Коды символов Unicode (HEX) Размер в UTF-8 Представленные классы символов
000000000000007F 1 байт ASCII, в том числе латинский алфавит, простейшие знаки препинания и арабские цифры
00000080000007FF 2 байта кириллица, расширенная латиница, арабский, армянский, греческий, еврейский и коптский алфавит; сирийское письмо, тана, нко; МФА; некоторые знаки препинания
000008000000FFFF 3 байта все другие современные формы письменности, в том числе грузинский алфавит, индийское, китайское, корейское и японское письмо; сложные знаки препинания; математические и другие специальные символы
00010000001FFFFF 4 байта музыкальные символы, редкие китайские иероглифы, вымершие формы письменности
0020000003FFFFFF 5 байт не используется в Unicode
040000007FFFFFFF 6 байт не используется в Unicode

Следует отметить, что данная таблица подразумевает плотное кодирование и поэтому она представляет только идеальные комбинации.

Кодировка UTF-8 не является однозначной, так как в ней учитывается размер бит значения без учёта позиции последнего установленного бита. Поэтому возможно написание «грубого» кодировщика, который не отбрасывает лидирующие нули. Например, ASCII-символ «1» (0x31), может быть представлен следующими двухбайтовыми и трёхбайтовыми последовательностями: 11000000 10110001 (0xC0 0xB1) и 11100000 10000000 10110001 (0xE0 0x80 0xB1). Отсюда выходят следующие бессмыленные битовые комбинации первых байт: 11000000 (0xC0), 11100000 (0xE0), 11110000 (0xF0), 11111000 (0xF8), 11111100 (0xFC), а также последующие за ними комбинации промежуточных байт 10000000 (0x80).

[править] Максимальный потенциал

До этого рассматривалось кодирование в UTF-8 лишь 32-битных целых без отрицательных значений. Следует отметить, что в стандарте Unicode используются символы лишь до кода 0x001FFFFF включительно. Поэтому даже 32-битных значений может вполне хватить, но этот раздел был включён для полноты изложения в случае использования UTF-8 для кодирования несимвольных данных.

В первом байте количество установленных старших бит определяет количество байт на символ. Оставшиеся младшие биты хранят старшие биты значения кода символа. Мы можем сделать допущение о том, что первый байт не обязан содержать данные. При этом допускаем, что все биты за пределами байта равны нулю. Тогда данные будут содержать только 6 бит в последующих байтах. Получается 36 бит для семибайтового символа и 42 бита — для восьмибайтового.

[править] Неиспользуемые значения байтов

В тексте UTF-8 принципиально не может быть байтов со значениями 254 (0xFE) и 255 (0xFF). Поскольку в Юникоде не определены символы с кодами выше 221, то в UTF-8 оказываются неиспользуемыми также значения байтов от 248 до 253 (0xF8 — 0xFD). Если запрещены искусственно удлинённые (за счёт добавления ведущих нулей) последовательности UTF-8, то не используются также байтовые значения 192 и 193 (0xC0 и 0xC1).

[править] BOM (сигнатура)

Многие программы Windows (включая Блокнот) добавляют байты 0xEF, 0xBB, 0xBF в начале любого документа, сохраняемого как UTF-8.

Это метка порядка байтов (англ. Byte Order Mark, BOM), также её часто называют сигнатурой (соответственно, UTF-8 и UTF-8 with Signature). По наличию сигнатуры программы могут автоматически определить, является ли файл закодированным в UTF-8, однако файлы с такой сигнатурой могут некорректно обрабатываться старыми программами, в частности xml-анализаторами. Такие редакторы, как Notepad++, Notepad2 и Kate, позволяют явно указывать, следует ли добавлять сигнатуру при сохранении UTF-файлов.

Например: В файле записана одна латинская буква «a».

  • Если кодировка этого файла UTF-8 with Signature, то он будет содержать: 0xEF 0xBB 0xBF 0x61
  • Если кодировка этого файла UTF-8 (без сигнатуры), то он будет содержать: 0x61

Если считывающая программа не поддерживает BOM, то эти три байта успешно раскодируются в один Unicode-символ 0xFEFF. Это не разрывающий слова пробел нулевой ширины и поэтому он может не отобразиться. Этот же символ используется в BOM для кодировок UTF-16 и UTF-32.

[править] См. также

[править] Ссылки

UTF-8 относится к теме «Аббревиатуры»   ±