介绍 UTF-8 编码

UTF-8 是一种针对 Unicode 的可变长度字符编码。

针对 Unicode：UTF-8 是 Unicode 的实现方式之一。相当于 Unicode 规定了字符对应的代码值，这个代码值需要转换为字节序列的形式，用于数据存储、传输。代码值到字节序列的转换工作由 UTF-8 来完成。

可变长度字符编码：UTF-8 使用一至四个字节对 Unicode 字符集中的所有有效代码点进行编码。

• UTF-8 使用 1 个字节表示 ASCII 字符；
• UTF-8 使用 2 个字节表示带有附加符号的拉丁文、希腊文等；
• UTF-8 使用 3 个字节表示其他基本多文种平面（BMP）中的字符（包含了大部分常用字，如大部分的汉字）；
• UTF-8 使用 4 个字节表示 Unicode 辅助平面的字符。

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技术是为了解决问题而生的，UTF-8 编码是为了解决什么问题而设计的呢？UTF-8 是为了兼容 ASCII 编码而设计的。

ASCII 编码使用 1 个字节表示 ASCII 字符，而 Unicode 最初规定使用 2 个字节来表示所有的 Unicode 字符。如果使用 2 个字节来表示 ASCII 字符的话，那么含有大量 ASCII 字符的文本将浪费大量的存储空间。

UTF-8 编码使用 1 个字节来表示 ASCII 字符，而且字面与 ASCII 码的字面一一对应，这使得原来处理 ASCII 字符的软件无须或只须做少部分修改，即可继续使用。

UTF-8 编码的规则

Unicode 和 UTF-8 之间的转换关系表（x 字符表示码点占据的位）

码点的位数	码点起值	码点终值		Byte 1	Byte 2	Byte 3	Byte 4	Byte 5	Byte 6
7	U+0000	U+007F	1	0xxxxxxx
11	U+0080	U+07FF	2	110xxxxx	10xxxxxx
16	U+0800	U+FFFF	3	1110xxxx	10xxxxxx	10xxxxxx
21	U+10000	U+1FFFFF	4	11110xxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx
26	U+200000	U+3FFFFFF	5	111110xx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx
31	U+4000000	U+7FFFFFFF	6	1111110x	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx

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UTF-8 编码的规则：

• 在 ASCII 码范围内的代码点，UTF-8 使用 1 个字节表示。
• 大于 ASCII 码范围的代码点，UTF-8 使用多个字节表示。UTF-8 使用第一个字节的前几位表示该 Unicode 字符的字节长度（第一个字节的开头 1 的数目就是该 Unicode 字符的字节长度），其余字节的前两位固定为 10，作为标记
  • 如果第一个字节的前两位为 1，第三位为 0（110xxxxx），则表示 UTF-8 使用 2 个字节表示该 Unicode 字符；
  • 如果第一个字节的前三位为 1，第四位为 0（1110xxxx），则表示 UTF-8 使用 3 个字节表示该 Unicode 字符；
  • 依此类推；
  • 如果第一个字节的前六位为 1，第七位为 0（1111110x），则表示 UTF-8 使用 6 个字节表示该 Unicode 字符；

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UTF-8 编码的字节含义：对于 UTF-8 编码中的任意字节 B：

• 如果 B 的第一位为 0（0xxxxxxx），则 B 独立的表示一个 ASCII 字符；
• 如果 B 的第一位为 1，第二位为 0（10xxxxxx），则 B 为一个多字节表示的字符中的一个字节；
• 如果 B 的前二 / 三 / 四 / 五 / 六位为 1，其余位为 0，则 B 为二 / 三 / 四 / 五 / 六个字节表示的字符中的第一个字节。

UTF-8 编码示例

Unicode/UTF-8-character table (utf8-chartable.de)

通过 UTF-8 编码表，我们可以看到中文字符 “一” 的 Unicode 代码点为 “U+4E00”，UTF-8 编码结果为 “e4 b8 80”，

对中文字符 “一” 进行 UTF-8 编码，是如何得到 “e4 b8 80” 的呢？我们下面来看。

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“4E00” 的二进制表示为 “0100 1110 0000 0000”。

UTF-8 使用 3 个字节表示常用的汉字，因此中文字符对应的字节序列格式为：“1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx”

于是中文字符 “一” 的 UTF-8 编码结果为 “11100100 10111000 10000000”，它的十六进制表示为 “e4 b8 80”

public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
    
    byte[] bytes = "一".getBytes("UTF-8");
    // [-28, -72, -128]
    System.out.println(Arrays.toString(bytes));
}

UTF-8 编码的优劣局限

UTF-8 编码的优点

UTF-8 和 ASCII 兼容：ASCII 是 UTF-8 的一个子集。因为一个纯 ASCII 字符串也是一个合法的 UTF-8 字符串，所以现存的 ASCII 文本不需要转换。为传统的扩展 ASCII 字符集设计的软件通常可以不经修改或很少修改就能与 UTF-8 一起使用。

任何面向字节的字符串搜索算法都可以用于 UTF-8 的数据（只要输入仅由完整的 UTF-8 字符组成）。UTF-8 可以保证一个字符的字节序列不会包含在另一个字符的字节序列中。而有些比较旧的可变长度字符编码（如Shift JIS）没有这个特质，故它们的字符串搜索算法变得相当复杂。

**UTF-8 字符串可以由一个简单的算法可靠地识别出来。**由于 UTF-8 字节序列的设计，如果一个疑似为字符串的序列被验证为 UTF-8 编码，那么我们可以有把握地说它是 UTF-8 字符串。一个字符串在任何其它编码中表现为合法的 UTF-8 的可能性很低，可能性随着字符串长度的增长而减小。 举例说明，字符值 C0、C1、F5 至 FF 从来没有出现。为了更好的可靠性，可以使用正则表达式来统计非法过长和替代值（可以查看W3 FAQ: Multilingual Forms上的验证 UTF-8 字符串的正则表达式）。

UTF-8 编码可以通过屏蔽位 和 移位操作快速读写：屏蔽位是指将字节的高位置零，以便获取低位的值；移位操作是指将字节的低位移动到高位，以便获取高位的值。这样，可以快速读取和写入 UTF-8 编码的字符。

UTF-8 编码的缺点

UTF-8 编码不利于使用正则表达式进行读音检索

正则表达式可以进行很多高级的英文模糊检索。比如，[a-h] 表示 a 到 h 间的所有字母。

同样 GBK 编码的中文也可以这样利用正则表达式，比如在只知道一个字的读音而不知道怎么写的情况下，也可用正则表达式检索，因为 GBK 编码是按读音排序的。虽然正则表达式检索并未考虑中文的多音字，但是由于中文的多音字数量不多，不少多音字还是同音不同调类型的多音字，所以大多数情况下正则表达式检索是还可以接受的。

但是 Unicode 汉字不是按读音排序的，它是按部首排序，所以不利于用正则表达式进行读音检索。在只知道一个字的部首而不知道如何发音的情况下，UTF-8 可用正则表达式检索而 GBK 不行。

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UTF-8 的 ASCII 字符只占用一个字节，比较节省空间，但是更多字符的 UTF-8 编码占用的空间就要多出1/2，特别是中文、日文和韩文（CJK）这样的方块文字，它们大多需要三个字节。

无法根据 Unicode 字符数判断出 UTF-8 文本占用的字节数。因为 UTF-8 是一种可变长度字符编码。

参考资料

UTF-8 - 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)

Unicode/UTF-8-character table (utf8-chartable.de)