概述
在使用Python或者其他的编程语言，都会多多少少遇到编码错误，处理起来非常痛苦。在Stack Overflow和其他的编程问答网站上，UnicodeDecodeError和UnicodeEncodeError也经常被提及。本篇教程希望能帮你认识Python编码，并能够从容的处理编码问题。
本教程提到的编码知识并不限定在Python，其他语言也大同小异，但我们依然会以Python为主，来演示和讲解编码知识。
通过该教程，你将学习到如下的知识:
- 获取有关字符编码和数字系统的概念
- 理解编码如何使用Python的str和bytes
- 通过int函数了解Python对数字系统的支持
- 熟悉Python字符编码和数字系统相关的内置函数
什么是字符编码
现在的编码规则已经有好多了，最简单、最基本是的ASCII编码，只要是你学过计算机相关的课程，你就应该多少了解一点ASCII编码，他是最小也是最适合了解字符编码原理的编码规则。具体如下：
- 小写英文字符：a-z
- 大写英文字符：A-Z
- 符号: 比如 $和!
- 空白符：回车、换行、空格等
- 一些不可打印的字符: 比如\b等
那么，字符编码的定义到底是什么了？它是一种将字符（如字母，标点符号，符号，空格和控制字符）转换为整数并最终转换为bit进行存储的方法。 每个字符都可以编码为唯一的bit序列。 如果你对bit的概念不了解，请不要担心，我们后面会介绍。
ASCII码的字符被分为如下几组：
ASCII表一共包括128个字符，如果你想了解整个ASCII表，这里有
Python string模块
string模块是python里处理字符串很方便的模块，它包括了整个ASCII字符，让我们来看看部分string模块源码：
# From lib/python3.7/string.py
whitespace = ' \t\n\r\v\f'
ascii_lowercase = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'
ascii_uppercase = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
ascii_letters = ascii_lowercase + ascii_uppercase
digits = '0123456789'
hexdigits = digits + 'abcdef' + 'ABCDEF'
octdigits = '01234567'
punctuation = r"""!"#$%&'()*+,-./:;<=>?@[\]^_`{|}~"""
printable = digits + ascii_letters + punctuation + whitespace
你可以在Python中这样使用string模块：
>>> import string
>>> s = "What's wrong with ASCII?!?!?"
>>> s.rstrip(string.punctuation)
'What's wrong with ASCII'
什么是bit
学过计算机相关课程的同学，应该都知道，bit是计算机内部存储单位，只有0和1两个状态(二进制)，我们上面所说的ASCII表，都是一个10进制的数字表示一个字符，而这个10进制数字，最终会转换成0和1，存储在计算机内部。例如(第一列是10进制数字，第二列是二进制，第三列是计算机内部存储结果):
这是一种在Python中将ASCII字符串表示为位序列的方便方法。 ASCII字符串中的每个字符都被伪编码为8位，8位序列之间有空格，每个字符代表一个字符：
>>> def make_bitseq(s: str) -> str:
... if not s.isascii():
... raise ValueError("ASCII only allowed")
... return " ".join(f"{ord(i):08b}" for i in s)
>>> make_bitseq("bits")
'01100010 01101001 01110100 01110011'
>>> make_bitseq("CAPS")
'01000011 01000001 01010000 01010011'
>>> make_bitseq("$25.43")
'00100100 00110010 00110101 00101110 00110100 00110011'
>>> make_bitseq("~5")
'01111110 00110101'
我们也可以是用python的f-string 来格式化，比如f"{ord(i):08b}"：
-
冒号的左侧是ord（i），它是实际的对象，其值将被格式化并插入到输出中。 使用ord（）为单个str字符提供了base-10代码点。
-
冒号的右侧是格式说明符。 08表示宽度为8,0填充，b用作在基数2（二进制）中输出结果数的符号。
ASCII编码不够用了
ASCII采用的是8bit来存储字符(只使用7位，剩下的1位二进制为0)，所以，ASCII最多存储128个字符，这有个简单的公式，计算存储字符的bit数量与存储字符总数的关系：2的n次方，n表示bit数量。例如：
- 1bit存储2个字符
- 8bit存储256个字符
- 64bit存储2的64次方 == 18,446,744,073,709,551,616
我们可以写个简单的代码，来计算一下，指定字符数量，至少需要多少bit来存储：
>>> from math import ceil, log
>>> def n_bits_required(nvalues: int) -> int:
... return ceil(log(nvalues) / log(2))
>>> n_bits_required(256)
8
数字系统
在上面的ASCII讨论中，您看到每个字符映射到0到127范围内的整数。但在CPython中还有其他的数字系统，通过其他方式是表示数字。除了十进制外，python还支持以下几个方式：
- Binary: 2进制
- Octal: 8进制
- Hexadecimal (hex): 16进制
你可能要问，为什么有了十进制，还要支持这么多其他进制的数字了？这个取决你的业务场景和操作系统，在Python里，把str转换成int，默认是10进制的。
>>> int('11')
11
>>> int('11', base=10) # 10 is already default
11
>>> int('11', base=2) # Binary
3
>>> int('11', base=8) # Octal
9
>>> int('11', base=16) # Hex
17
你可以在赋值时，直接告诉解释器数字的类型，不同进制标表示方法如下：
| 类型 | 前缀 | 示例 |
|---|---|---|
| n/a | n/a | 11 |
| 二进制 | 0b 或者 0B | 0b11 |
| 八进制 | 0o 或者 0O | 0o11 |
| 十六进制 | 0x 或者 0X | 0x11 |
>>> 11
11
>>> 0b11 # 二进制
3
>>> 0o11 # 八进制
9
>>> 0x11 # 16进制
17
深入Unicode
正如您所看到的，ASCII的问题在于它不是一个足够大的字符集来容纳世界上的语言，方言，符号和字形。 （这对于英语来说甚至都不够大。）Unicode从根本上起到与ASCII相同的作用，但是Unicode拥有更大的存储空间，具有1,114,112个可能的字符，能够完全包含世界上所有的语言。事实上，ASCII是Unicode的完美子集。 Unicode表中的前128个字符与您合理期望的ASCII字符完全对应。
Unicode本身不是编码，但是有很多遵循Unicode编码规范编码，后面讲到的UTF-8就是其中一个。
Unicode vs UTF-8
Unicode是一种抽象编码标准，而不是编码。这就是UTF-8和其他编码方案发挥作用的地方。 Unicode标准（字符到代码点的映射）从其单个字符集定义了几种不同的编码。UTF-8及其较少使用的表兄弟UTF-16和UTF-32是用于将Unicode字符表示为每个字符一个或多个字节的二进制数据的编码格式。我们稍后将讨论UTF-16和UTF-32，但到目前为止，UTF-8占据了最大份额。
Python 3里的编码与解码
Python 3的str类型用于表示人类可读的文本，可以包含任何Unicode字符。
相反，字节类型表示二进制数据或原始字节序列，它们本质上没有附加编码。
编码和解码是从一个到另一个的过程：
decode 和 encode 函数，默认编码是utf-8:
>>> "résumé".encode("utf-8")
b'r\xc3\xa9sum\xc3\xa9'
>>> "El Niño".encode("utf-8")
b'El Ni\xc3\xb1o'
>>> b"r\xc3\xa9sum\xc3\xa9".decode("utf-8")
'résumé'
>>> b"El Ni\xc3\xb1o".decode("utf-8")
'El Niño'
str.encode（）的结果是一个bytes对象，bytes对象只允许ASCII字符。这就是为什么在调用“ElNiño”.encode（“utf-8”）时，允许ASCII兼容的“El”按原样表示，但带有波浪号的n被转义为“\ xc3 \ xb1”。 这个看起来很乱的序列代表两个字节，十六进制为0xc3和0xb1：
>>> " ".join(f"{i:08b}" for i in (0xc3, 0xb1))
'11000011 10110001'
Python3一切字符皆Unicode
-
默认情况下，Python 3源代码假定为UTF-8。 这意味着您不需要＃ - * - 编码：UTF-8 - * - 位于Python 3中.py文件的顶部。
-
默认情况下，所有文本（str）都是Unicode。 编码的Unicode文本表示为二进制数据（字节）。 str类型可以包含任何文字Unicode字符，例如“Δv/Δt”，所有这些字符都将存储为Unicode。
-
Unicode字符集中的任何内容都是标识符中的犹太符号，这意味着résumé=“〜/ Documents / resume.pdf”是有效的，虽然这看起来很花哨。
-
Python的re模块默认为re.UNICODE标志而不是re.ASCII。 这意味着，例如，r“\ w”匹配Unicode字符，而不仅仅是ASCII字母。
-
str.encode（）和bytes.decode（）中的默认编码是UTF-8。
还有一个更细微的属性，即内置的open（）的默认编码是依赖于平台的，并且取决于locale.getpreferredencoding（）的值：
>>> # Mac OS X High Sierra
>>> import locale
>>> locale.getpreferredencoding()
'UTF-8'
>>> # Windows Server 2012; other Windows builds may use UTF-16
>>> import locale
>>> locale.getpreferredencoding()
'cp1252'
一个关键特性是UTF-8是一种可变长度编码。回想一下关于ASCII的部分。 扩展ASCII-land中的所有内容最多需要一个字节的空间。 您可以使用以下生成器表达式快速证明这一点：
>>> all(len(chr(i).encode("ascii")) == 1 for i in range(128))
True
UTF-8完全不同。 给定的Unicode字符可以占用1到4个字节。 以下是占用四个字节的单个Unicode字符的示例：
>>> ibrow = "🤨"
>>> len(ibrow)
1
>>> ibrow.encode("utf-8")
b'\xf0\x9f\xa4\xa8'
>>> len(ibrow.encode("utf-8"))
4
>>> # Calling list() on a bytes object gives you
>>> # the decimal value for each byte
>>> list(b'\xf0\x9f\xa4\xa8')
[240, 159, 164, 168]
这是len（）的一个微妙但重要的特性：
- 作为Python str的单个Unicode字符的长度始终为1，无论它占用多少字节。
- 编码为字节的相同字符的长度将介于1和4之间。
UTF-16和UTF-32
我们来聊聊UTF-16和UTF-32，在实际的编程实践中，它们和UTF-8区别还是很重要的，下面的通过实例我们来看看具体区别：
>>> letters = "αβγδ"
>>> rawdata = letters.encode("utf-8")
>>> rawdata.decode("utf-8")
'αβγδ'
>>> rawdata.decode("utf-16") #
'뇎닎돎듎'
在这种情况下，使用UTF-8编码四个希腊字母然后解码回UTF-16中的文本将产生一个完全不同语言（韩语）的文本str。
此表汇总了UTF-8，UTF-16和UTF-32下的字节范围或字节数：
| 编码 | 长度(字节) | 是否可变 |
|---|---|---|
| UTF-8 | 1~4 | 是 |
| UTF-16 | 2~4 | 是 |
| UTF-32 | 4 | 否 |
UTF系列编码另外一个需要注意的地方是，UTF-8编码占用存储空间不一定比UTF-16少，因为他们都不是固定长度的。例如
>>> text = "記者 鄭啟源 羅智堅"
>>> len(text.encode("utf-8"))
26
>>> len(text.encode("utf-16"))
22
原因是U + 0800到U + FFFF（十进制的2048到65535）范围内的代码点占用了UTF-8中的三个字节，而UTF-16中仅占用了两个字节。
正常情况下，最好不用使用UTF-16，除非特殊要求，不然UTF-8更加通用。
Python内建函数
Python内置了很多与编码相关的函数：
- ascii()
- bin()
- bytes()
- chr()
- hex()
- int()
- oct()
- ord()
- str()
可以分成以下几组:
- ascii()，bin()，hex()和oct(), 第一个是ascii()，它生成一个仅对象的ASCII表示，其中非ASCII字符被转义。 其余三个分别给出整数的二进制，十六进制和八进制表示。
- bytes()，str()和int()是各自类型，bytes，str和int的类构造函数。 它们各自提供了将输入强制转换为所需类型的方法。 例如，如前所述，虽然int(11.0)可能更常见，但您可能也会看到int(‘11’，base = 16)。
- ord()和chr()，ord()将str字符转换为10进制，而chr()执行相反的操作。
Python中的其他编码
目前，我们讲了4中编码：
- ASCII
- UTF-8
- UTF-16
- UTF-32
还有其他很多编码，比如Latin-1(也称作ISO-8859-1)，这是HTTP默认的编码，然而windows是Latin-1变体，称作cp1252。
完整的已接受编码列表隐藏在编解码器模块的文档中，该模块是Python标准库的一部分。
还有一个有用的公认编码需要注意，即“unicode-escape”。 如果您有一个已解码的str并希望快速获得其转义的Unicode文字的表示，那么您可以在.encode（）中指定此编码：
>>> alef = chr(1575) # Or "\u0627"
>>> alef_hamza = chr(1571) # Or "\u0623"
>>> alef, alef_hamza
('ا', 'أ')
>>> alef.encode("unicode-escape")
b'\\u0627'
>>> alef_hamza.encode("unicode-escape")
b'\\u0623'
注意外部数据编码
虽然Python代码默认使用了UTF-8作为编码，但并不意味着外部输入的数据也是UTF-8编码的，如果这些外部的数据没有指定编码，那么在处理他们是，你就要格外小心了。比如你调用API获取数据，正常是用UTF-8去解码，没有问题，但如果突然API给你返回这样的数据:
>>> data = b"\xbc cup of flour"
>>> data.decode("utf-8")
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'utf-8' codec can't decode byte 0xbc in position 0: invalid start byte
这地方抛出了UnicodeDecodeError错误，仔细检查，发现其实数据的编码是Latin-1。
>>> data.decode("latin-1")
'¼ cup of flour'
如果你对字符串的编码不确定，可以使用chardet库来检查字符串编码。
总结
在本文中你已经了解了编码的详细原理，相信你在以后的编程过程中，再遇到编码错误，相信你能比较从容的解决了。
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