I � Unicode

Давайте я вам про Unicode ещё раз расскажу?

Как известно, в памяти компьютера числа представлены битами, которые группируются в байты. Один байт может хранить одно из 256 значений (поскольку состоит из восьми бит, каждый из которых может хранить одно из двух). Следовательно, числа, значения которых > 255 хранятся в больше, чем одном байте.

Например, числа до 65535 можно уместить уже в двух байтах: в так называемом старшем записывается сколько раз полных 256 содержится в числе, а в младшем — остаток: старший × 256 + младший.

В зависимости от типа процессора, порядок, в котором записаны в памяти старшие и младшие байты, различается. Собственно, мне хорошо известны только две системы: младший записывается первым (как в процессорах Intel) и старший записывается первым (в процессорах ARM, которые стоят в смартфонах). Есть ещё смешанная, но с ней я не сталкивался. Системы эти носят имена: little-endian и big-endian (системы со смешанным порядком называются middle-endian и термин не указывает на то как именно «мешается» этот порядок). Краткая запись названий — LE и BE.

Есть ещё системы, которые умеют переключать порядок (те же ARM) и называются bi-endian.

Термины little-endian и big-endian пришли к нам из «Приключений Гулливера» и на русский переводятся как «тупоконечный» и «остроконечный». Те, кто читали, те помнят (война по поводу того с какой стороны разбивать яйца). Информатика тут какбэ намекает. Хотя у каждой системы есть свои достоинства и (не удержался) мне ближе LE.

Сюрприз для непрограммистов: буквы в памяти компьютера тоже представлены числом. Это просто номер по порядку в компьютерном алфавите. Так девочки в нашем классе «кодировали» записки: вместо букв ставили номер позиции в алфавите. В чём-то они были правы, но только не в том, что это шифр.

Когда-то компьютеры победивших сейчас систем использовали всего 256 символов и всем было хорошо — туда умещались все символы, которые присутствовали в том мире, где эти компьютеры создавались. Экспансия привела к тому, что 256 значений для символов перестало хватать.

Было принято очевидное решение — выделять на символ не один байт, а несколько. Так появился стандарт Unicode, где огромному количеству символов дано своё число и закреплены начертания, стандарт дополняется и новые версии выходят почти каждый год.

Система кодирования Unicode, где выделяются два байта, называется UTF-16 (16 бит на символ), там где четыре байта — UTF-32 (32 бита). Название UCS-4 (четыре байта) является синонимом UTF-32, а UCS-2 (два байта) подмножеством UTF-16. UCS-2 отличается от UTF-16 отсутствием так называемых «суррогатных пар» (которые появились только в Unicode 2.0, вы не хотите знать что это) и является устаревшим стандартом, можете про него забыть.

Так как способов хранения чисел, не умещающихся в памяти у нас несколько, то системы подразделяются на UTF-16BE, UTF-16LE, UTF-32BE и UTF-32LE. Отсюда видно, что UCS-4LE это тоже, что и UTF-32LE. Если порядок байт не указан, то принято считать, что используется big-endian.

Первого апреля 2005-го года были предложены шуточные «стандарты» UTF-9 и UTF-18, отношения к рассматриваемой проблеме они имеют. Для телеграфа и прочего слоновьего гуано, разрабатывались UTF-5 и UTF-6, но о их судьбе мне ничего не известно. Так же есть UTF-7, который в стандарт не вошёл, но реально применяется (в модифицированном виде) внутри почтового протокола IMAP4, про него я рассказывать не буду, мне он стал известен из-за оригинального способа его использования для XSS-атак в IE (в частности, решением этой проблемы я занимался в PEAR PHP классе HTML_Safe). Можно упомянуть ещё UTF-1, но с ней я не сталкивался в работе.

BOM. BOM расшифровывается как «byte order mark» (признак порядка байт) и ставится внутри файлов упомянутых двух- и четырёхбайтных кодировок. Если BOM внутри файла не встретился, принимается порядок big-endian. У BOM есть значание. В UCS-2 это 65279 (для программистов — FEFF), для UCS-4/UTF-32 — это 4278124544 (FEFF0000). Число выбрано так, чтобы старшие и младшие байты у них не совпадали и по их порядку можно было бы определить какой порядок байт используется. К сожалению, BOM не даёт возможности определить использутеся двух- или четырёхбайтная кодировка.

Теперь непрограммистам будет трудно.

Пока всё было достаточно просто, но человечество придумало ещё одну кодировку — UTF-8, с плавающим размером. Хорошие новости заключаются в том, что порядок следования байт тут определён и никаких LE и BE рядом с UTF-8 не ставится. Соотвественно и BOM тут не нужен. Он может использоваться только для того, чтобы указать программе, что это именно UTF-8 и имеет номер 15711167 (EF BB BF). Откуда можно сделать вывод (дорогие писатели редакторов), что использование в UTF-8 BOM от UTF-16 — ошибка.

Трудность в том, что UTF-8, по сути это ещё один способ записи многобайтовых чисел (а каждая буква в стандарте Unicode — многобайтовое число). У системы есть целых два плюса (ирония!): старая однобайтовая кодировка совместима с UTF-8, а значит буржуинам не нужно переделывать свои программы, если они не используют в них буквы и других языков (например, на любом старом англоязычном сайте как бы уже используется кодировка UTF-8), второй плюс — латиница записывается компактнее (в один символ). Минусы — чисто программисткие: работа с кодировкой требует больше ресурсов из-за плавающего размера.

Итак. Каждый символ в кодировке занимает от 1 до 4-х байт. Вообще, формат устроен так, что можно было бы взять и более длинные цепочки, но в Unicode нет столько символов, чтобы записывать их более длинными последовательностями.

Тут надо вспомнить что такое биты. Бит — единица информации, мельче не бывает, у него всего два значения — 0 или 1. Байт состоит из 8 битов, биты очень удобно записывать в позиционной двоичной системе: 00001011. «Позиционная» тут означает, что значение числа зависит от его позиции. Кстати, это привычная нам система. В числе «22» две двойки, но у первой значение в десять раз больше, чем у второй. Это десятичная позиционная система. В двоичной, каждая более левая однёрка будет больше в два раза своей соседки.

Таким образом число 1011 расшифровывается из двоичной как 1 × 2³ + 0 × 2² + 1 × 2¹ + 1 × 2⁰ = 1 × 8 + 1 × 2 + 1 × 1 = 8 + 2 + 1 = 11 в десятичной системе.

UTF-8 устроен следующим образом. Пусть, мы двигаемся по строке, содержащей два байта: 208 и 159. В битах это 11010000 и 10011111. (Немного осталось, потерпите).

В первом символе нужно посчитать количество бит со значением «1» до первого нуля. Это общее количество байт, которым записан данный символ. Если количество байт — один (это вроде как специальный признак), то вы нашли не первый байт символа.

У нас в примере количество бит до первого нуля — два. Значит, буква записана двумя символами — первый это тот, на которым мы находимся и второй — который следует за ним. Каждый байт в UTF-8 разбит на две части — до первого нулевого бита. Первая часть — общая длина байт последовательности, а оставшаяся — значение. Биты из значения записывают последовательно (у нас это 10000 011111) и смотрят какое число получилось (у нас это — 1055, это номер буквы «П» в Unicode).

Могу рассказать про UTF-7 и UTF-1, если интересно. Или про суррогатные пары.