深入理解计算机系统cp1：存储单位与编码

摘要： 理解计算机是如何存储数据的。

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深入理解计算机系统cp1：存储单位与编码

1. 存储单位

  • 位：即 bit，表示二进制位，要么是 0 ，要么是 1。它是计算机内部数据存储的最小单位。比如 11010100 共有8个二进制位，是一个8位二进制数。

  • 字节：即 byte，它由8个二进制位构成，即 1byte=8bit，是计算机内部计量的基本单位。一个英文字符占1个字节（8位），一个汉字占2个字节（16位）

  • 字：即word，它由若干个字节构成，是计算机内部进行数据处理和运算的基本单位。字的总的位数称为字长，不同档次的计算机字长是不一样的，比如32位机，它的1个字由4个字节构成，字长为32位，也就是说其CPU一次操作处理的实际位数是32位。同理，64位机可以处理64位。由此可见，计算机的字长越大，其性能越优越。

  • KB，MB：1024byte = 1KB，1024KB = 1MB。往上还有GB，TB。

PS：数据传输大多以 bit 为单位，比如我们常说的网速100M/s，M/s其实Mbit/s，也就是兆比特每秒，我们还可以写成100Mbps。

2. 编码

2.1 为什么需要编码？

  • 计算机只能理解0和1，无法理解英文、字母、汉字和其他特殊字符，这些字符需要经过编码才能成为计算机可以理解的二进制数。

  • 由字符到二进制数称为编码，反过来则是解码。

  • 从字符到二进制数，需要有一个一一对应的映射，这个映射通过编码规则来实现。

  • 通常所说的编码其实包括编码+字符集（即字符的集合体），比如 Unicode 字符集，就有 UTF-8，UTF-16 等多种编码。

2.2 编码规则的演变

  • ASCII：

    1. /ˈæski/，即 American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码。本来一个字节有8位，每一位有0和1两种状态，则一个字节共有2^8=256种状态，可以表示256种字符。但是美国佬比较自私，觉得只要可以表示自己的字母和一些特殊字符就足够了，所以 ASCII 没有占用最高位（而是固定为0），实际只用到了后面7位，它可以表示 2^7=128 种状态，也就是表示128个字符。

    2. 很显然，这用来表示字母是足够的，但要想表示其它语言的字符，128还是太少了。

    PS：附送 ASCII 对照表一张：

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  • GB2312：

    1. 既然美国佬只解决了字母和特殊符号的编码问题，那么我们中国人只好实现自己的编码，从而来表示汉字了。所以这时候出现了 GB2312 编码（国标码）。

    2. 问题：不幸的是，各个国家都是这么想的，所以小日本有了 Shift_JIS 编码，棒子有了 Euc-kr 编码…..一时之间各国都有了自己的标准，那么对于一个多语言混合的文本来说，存在着不同的编码规则，最终必然导致乱码。

  • Unicode：

    1. Unicode 解决了编码统一的问题。每种语言的每个字符在 Unicode 的规则下，都只有统一且唯一的对应二进制编码。它的表示方法是U+[16进制数]。例如，大写字母 A 编码为 U+0041，汉字“严”编码为 U+4E25。

    2. 问题：Unicode 一般用2个字节（也就是16位）表示一个字符，这在表示 ASCII 字符的时候会出现问题。我们知道，ASCII 字符实际只需要一个字节就够了，并且最高位甚至都还不需要用到，但是 Unicode 又规定表示一个字符至少需要2个字节，那么一个 ASCII 字符前面就必须要补0以满足这个规则，例如字母 A 就需要用 00000000 01000001 表示，这些多余的0是一个极大的资源浪费。

  • UTF-8：

    1. UTF：实际传输过程中，基于不同的系统平台，对 Unicode 会有不不同的实现方式，其实现方式称为 Unicode Transformation Format，即 UTF。

    2. 作为 Unicode 的一种实现方式，UTF-8 展现了一定的灵活性——它是一种变长编码，会根据具体字符来改变所需要的表示字节。其编码规则只有两条：

    i>. 对于 128 个 ASCII 字符只需一个字节表示，字节的第一位补 0，后面 7 位为这个字符的 ASCII 二进制数。Unicode 范围为 U+0000 至U+007F。

    ii>. 对于 n 字节的符号（n>1），第一个字节的前 n 位都设为 1，第 n+1 位设为 0，后面字节的前两位一律设为 10。剩下的没有提及的二进制位，全部为这个符号的 Unicode 码二进制数。Unicode 范围由 U+0080 起。

也可以看下面这张图：

深入理解计算机系统cp1：存储单位与编码

以汉字“严”为例，演示如何实现 UTF-8 编码。

“严”的 Unicode 是 U+4E25（二进制数 100111000100101），据表，U+4E25 处在第三行的范围内（U+0800 ~ U+FFFF），因此“严”的UTF-8 编码需要三个字节，即格式 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然后，从“严”的最后一个二进制位开始，依次从后向前填入格式中的 x，多出的位补 0。这样就得到 UTF-8 编码（二进制）是 11100100 10111000 10100101，转换成十六进制就是 E4B8A5。

参考：

  • 基础：ASCII，Unicode 和 UTF-8

  • 字符串和编码

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