字符串和编码
最后更新于：2022-04-01 01:12:41
## 字符编码
我们已经讲过了，字符串也是一种数据类型，但是，字符串比较特殊的是还有一个编码问题。
因为计算机只能处理数字，如果要处理文本，就必须先把文本转换为数字才能处理。最早的计算机在设计时采用8个比特（bit）作为一个字节（byte），所以，一个字节能表示的最大的整数就是255（二进制11111111=十进制255），如果要表示更大的整数，就必须用更多的字节。比如两个字节可以表示的最大整数是`65535`，4个字节可以表示的最大整数是`4294967295`。
由于计算机是美国人发明的，因此，最早只有127个字母被编码到计算机里，也就是大小写英文字母、数字和一些符号，这个编码表被称为`ASCII`编码，比如大写字母`A`的编码是`65`，小写字母`z`的编码是`122`。
但是要处理中文显然一个字节是不够的，至少需要两个字节，而且还不能和ASCII编码冲突，所以，中国制定了`GB2312`编码，用来把中文编进去。
你可以想得到的是，全世界有上百种语言，日本把日文编到`Shift_JIS`里，韩国把韩文编到`Euc-kr`里，各国有各国的标准，就会不可避免地出现冲突，结果就是，在多语言混合的文本中，显示出来会有乱码。
因此，Unicode应运而生。Unicode把所有语言都统一到一套编码里，这样就不会再有乱码问题了。
Unicode标准也在不断发展，但最常用的是用两个字节表示一个字符（如果要用到非常偏僻的字符，就需要4个字节）。现代操作系统和大多数编程语言都直接支持Unicode。
现在，捋一捋ASCII编码和Unicode编码的区别：ASCII编码是1个字节，而Unicode编码通常是2个字节。
字母`A`用ASCII编码是十进制的`65`，二进制的`01000001`；
字符`0`用ASCII编码是十进制的`48`，二进制的`00110000`，注意字符`'0'`和整数`0`是不同的；
汉字`中`已经超出了ASCII编码的范围，用Unicode编码是十进制的`20013`，二进制的`01001110 00101101`。
你可以猜测，如果把ASCII编码的`A`用Unicode编码，只需要在前面补0就可以，因此，`A`的Unicode编码是`00000000 01000001`。
新的问题又出现了：如果统一成Unicode编码，乱码问题从此消失了。但是，如果你写的文本基本上全部是英文的话，用Unicode编码比ASCII编码需要多一倍的存储空间，在存储和传输上就十分不划算。
所以，本着节约的精神，又出现了把Unicode编码转化为“可变长编码”的`UTF-8`编码。UTF-8编码把一个Unicode字符根据不同的数字大小编码成1-6个字节，常用的英文字母被编码成1个字节，汉字通常是3个字节，只有很生僻的字符才会被编码成4-6个字节。如果你要传输的文本包含大量英文字符，用UTF-8编码就能节省空间：
| 字符 | ASCII | Unicode | UTF-8 |
|-----|--------|---------|--------|
| A | 01000001 | 00000000 01000001 | 01000001 |
| 中 | x | 01001110 00101101 | 11100100 10111000 10101101 |
从上面的表格还可以发现，UTF-8编码有一个额外的好处，就是ASCII编码实际上可以被看成是UTF-8编码的一部分，所以，大量只支持ASCII编码的历史遗留软件可以在UTF-8编码下继续工作。
搞清楚了ASCII、Unicode和UTF-8的关系，我们就可以总结一下现在计算机系统通用的字符编码工作方式：
在计算机内存中，统一使用Unicode编码，当需要保存到硬盘或者需要传输的时候，就转换为UTF-8编码。
用记事本编辑的时候，从文件读取的UTF-8字符被转换为Unicode字符到内存里，编辑完成后，保存的时候再把Unicode转换为UTF-8保存到文件：
浏览网页的时候，服务器会把动态生成的Unicode内容转换为UTF-8再传输到浏览器：
所以你看到很多网页的源码上会有类似``的信息，表示该网页正是用的UTF-8编码。
## Python的字符串
搞清楚了令人头疼的字符编码问题后，我们再来研究Python的字符串。
在最新的Python 3版本中，字符串是以Unicode编码的，也就是说，Python的字符串支持多语言，例如：
~~~
>>> print('包含中文的str')
包含中文的str
~~~
对于单个字符的编码，Python提供了`ord()`函数获取字符的整数表示，`chr()`函数把编码转换为对应的字符：
~~~
>>> ord('A')
65
>>> ord('中')
20013
>>> chr(66)
'B'
>>> chr(25991)
'文'
~~~
如果知道字符的整数编码，还可以用十六进制这么写`str`：
~~~
>>> '\u4e2d\u6587'
'中文'
~~~
两种写法完全是等价的。
由于Python的字符串类型是`str`，在内存中以Unicode表示，一个字符对应若干个字节。如果要在网络上传输，或者保存到磁盘上，就需要把`str`变为以字节为单位的`bytes`。
Python对`bytes`类型的数据用带`b`前缀的单引号或双引号表示：
~~~
x = b'ABC'
~~~
要注意区分`'ABC'`和`b'ABC'`，前者是`str`，后者虽然内容显示得和前者一样，但`bytes`的每个字符都只占用一个字节。
以Unicode表示的`str`通过`encode()`方法可以编码为指定的`bytes`，例如：
~~~
>>> 'ABC'.encode('ascii')
b'ABC'
>>> '中文'.encode('utf-8')
b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'
>>> '中文'.encode('ascii')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128)
~~~
纯英文的`str`可以用`ASCII`编码为`bytes`，内容是一样的，含有中文的`str`可以用`UTF-8`编码为`bytes`。含有中文的`str`无法用`ASCII`编码，因为中文编码的范围超过了`ASCII`编码的范围，Python会报错。
在`bytes`中，无法显示为ASCII字符的字节，用`\x##`显示。
反过来，如果我们从网络或磁盘上读取了字节流，那么读到的数据就是`bytes`。要把`bytes`变为`str`，就需要用`decode()`方法：
~~~
>>> b'ABC'.decode('ascii')
'ABC'
>>> b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'.decode('utf-8')
'中文'
~~~
要计算`str`包含多少个字符，可以用`len()`函数：
~~~
>>> len('ABC')
3
>>> len('中文')
2
~~~
`len()`函数计算的是`str`的字符数，如果换成`bytes`，`len()`函数就计算字节数：
~~~
>>> len(b'ABC')
3
>>> len(b'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87')
6
>>> len('中文'.encode('utf-8'))
6
~~~
可见，1个中文字符经过UTF-8编码后通常会占用3个字节，而1个英文字符只占用1个字节。
在操作字符串时，我们经常遇到`str`和`bytes`的互相转换。为了避免乱码问题，应当始终坚持使用UTF-8编码对`str`和`bytes`进行转换。
由于Python源代码也是一个文本文件，所以，当你的源代码中包含中文的时候，在保存源代码时，就需要务必指定保存为UTF-8编码。当Python解释器读取源代码时，为了让它按UTF-8编码读取，我们通常在文件开头写上这两行：
~~~
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
~~~
第一行注释是为了告诉Linux/OS X系统，这是一个Python可执行程序，Windows系统会忽略这个注释；
第二行注释是为了告诉Python解释器，按照UTF-8编码读取源代码，否则，你在源代码中写的中文输出可能会有乱码。
申明了UTF-8编码并不意味着你的`.py`文件就是UTF-8编码的，必须并且要确保文本编辑器正在使用UTF-8 without BOM编码：
如果`.py`文件本身使用UTF-8编码，并且也申明了`# -*- coding: utf-8 -*-`，打开命令提示符测试就可以正常显示中文：
## 格式化
最后一个常见的问题是如何输出格式化的字符串。我们经常会输出类似`'亲爱的xxx你好！你xx月的话费是xx，余额是xx'`之类的字符串，而xxx的内容都是根据变量变化的，所以，需要一种简便的格式化字符串的方式。
在Python中，采用的格式化方式和C语言是一致的，用`%`实现，举例如下：
~~~
>>> 'Hello, %s' % 'world'
'Hello, world'
>>> 'Hi, %s, you have $%d.' % ('Michael', 1000000)
'Hi, Michael, you have $1000000.'
~~~
你可能猜到了，`%`运算符就是用来格式化字符串的。在字符串内部，`%s`表示用字符串替换，`%d`表示用整数替换，有几个`%?`占位符，后面就跟几个变量或者值，顺序要对应好。如果只有一个`%?`，括号可以省略。
常见的占位符有：
|符号|描述|
|---|------|
| %d | 整数 |
| %f | 浮点数 |
| %s | 字符串 |
| %x | 十六进制整数 |
其中，格式化整数和浮点数还可以指定是否补0和整数与小数的位数：
~~~
>>> '%2d-%02d' % (3, 1)
' 3-01'
>>> '%.2f' % 3.1415926
'3.14'
~~~
如果你不太确定应该用什么，`%s`永远起作用，它会把任何数据类型转换为字符串：
~~~
>>> 'Age: %s. Gender: %s' % (25, True)
'Age: 25\. Gender: True'
~~~
有些时候，字符串里面的`%`是一个普通字符怎么办？这个时候就需要转义，用`%%`来表示一个`%`：
~~~
>>> 'growth rate: %d %%' % 7
'growth rate: 7 %'
~~~
## 练习
小明的成绩从去年的72分提升到了今年的85分，请计算小明成绩提升的百分点，并用字符串格式化显示出`'xx.x%'`，只保留小数点后1位：
~~~
s1 = 72
s2 = 85
r = ???
print('???' % r)
~~~
## 小结
Python 3的字符串使用Unicode，直接支持多语言。
str和bytes互相转换时，需要指定编码。最常用的编码是UTF-8。Python当然也支持其他编码方式，比如把Unicode编码成GB2312：
~~~
>>> '中文'.encode('gb2312')
'\xd6\xd0\xce\xc4'
~~~
但这种方式纯属自找麻烦，如果没有特殊业务要求，请牢记仅使用UTF-8编码。
格式化字符串的时候，可以用Python的交互式命令行测试，方便快捷。
## 参考源码
[the_string.py](https://github.com/michaelliao/learn-python3/blob/master/samples/basic/the_string.py)