概述
在使用Python或者其他的編程語言，都會多多少少遇到編碼錯誤，處理起來非常痛苦。在Stack Overflow和其他的編程問答網站上，UnicodeDecodeError和UnicodeEncodeError也經常被提及。本篇教程希望能幫你認識Python編碼，並能夠從容的處理編碼問題。
本教程提到的編碼知識並不限定在Python，其他語言也大同小異，但我們依然會以Python爲主，來演示和講解編碼知識。
通過該教程，你將學習到如下的知識:
- 獲取有關字符編碼和數字系統的概念
- 理解編碼如何使用Python的str和bytes
- 通過int函數了解Python對數字系統的支持
- 熟悉Python字符編碼和數字系統相關的內置函數
什麼是字符編碼
現在的編碼規則已經有好多了，最簡單、最基本是的ASCII編碼，只要是你學過計算機相關的課程，你就應該多少了解一點ASCII編碼，他是最小也是最適合瞭解字符編碼原理的編碼規則。具體如下：
- 小寫英文字符：a-z
- 大寫英文字符：A-Z
- 符號: 比如 $和!
- 空白符：回車、換行、空格等
- 一些不可打印的字符: 比如\b等
那麼，字符編碼的定義到底是什麼了？它是一種將字符（如字母，標點符號，符號，空格和控制字符）轉換爲整數並最終轉換爲bit進行存儲的方法。 每個字符都可以編碼爲唯一的bit序列。 如果你對bit的概念不瞭解，請不要擔心，我們後面會介紹。
ASCII碼的字符被分爲如下幾組：
ASCII表一共包括128個字符，如果你想了解整個ASCII表，這裏有
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Python string模塊
string模塊是python裏處理字符串很方便的模塊，它包括了整個ASCII字符，讓我們來看看部分string模塊源碼：
# From lib/python3.7/string.py
whitespace = ' \t\n\r\v\f'
ascii_lowercase = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'
ascii_uppercase = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
ascii_letters = ascii_lowercase + ascii_uppercase
digits = '0123456789'
hexdigits = digits + 'abcdef' + 'ABCDEF'
octdigits = '01234567'
punctuation = r"""!"#$%&'()*+,-./:;<=>?@[\]^_`{|}~"""
printable = digits + ascii_letters + punctuation + whitespace
你可以在Python中這樣使用string模塊：
>>> import string
>>> s = "What's wrong with ASCII?!?!?"
>>> s.rstrip(string.punctuation)
'What's wrong with ASCII'
什麼是bit
學過計算機相關課程的同學，應該都知道，bit是計算機內部存儲單位，只有0和1兩個狀態(二進制)，我們上面所說的ASCII表，都是一個10進制的數字表示一個字符，而這個10進制數字，最終會轉換成0和1，存儲在計算機內部。例如(第一列是10進制數字，第二列是二進制，第三列是計算機內部存儲結果):
這是一種在Python中將ASCII字符串表示爲位序列的方便方法。 ASCII字符串中的每個字符都被僞編碼爲8位，8位序列之間有空格，每個字符代表一個字符：
>>> 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'
我們也可以是用python的f-string 來格式化，比如f"{ord(i):08b}"：
-
冒號的左側是ord（i），它是實際的對象，其值將被格式化並插入到輸出中。 使用ord（）爲單個str字符提供了base-10代碼點。
-
冒號的右側是格式說明符。 08表示寬度爲8,0填充，b用作在基數2（二進制）中輸出結果數的符號。
ASCII編碼不夠用了
ASCII採用的是8bit來存儲字符(只使用7位，剩下的1位二進制爲0)，所以，ASCII最多存儲128個字符，這有個簡單的公式，計算存儲字符的bit數量與存儲字符總數的關係：2的n次方，n表示bit數量。例如：
- 1bit存儲2個字符
- 8bit存儲256個字符
- 64bit存儲2的64次方 == 18,446,744,073,709,551,616
我們可以寫個簡單的代碼，來計算一下，指定字符數量，至少需要多少bit來存儲：
>>> from math import ceil, log
>>> def n_bits_required(nvalues: int) -> int:
... return ceil(log(nvalues) / log(2))
>>> n_bits_required(256)
8
數字系統
在上面的ASCII討論中，您看到每個字符映射到0到127範圍內的整數。但在CPython中還有其他的數字系統，通過其他方式是表示數字。除了十進制外，python還支持以下幾個方式：
- Binary: 2進制
- Octal: 8進制
- Hexadecimal (hex): 16進制
你可能要問，爲什麼有了十進制，還要支持這麼多其他進制的數字了？這個取決你的業務場景和操作系統，在Python裏，把str轉換成int，默認是10進制的。
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>>> 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
你可以在賦值時，直接告訴解釋器數字的類型，不同進制標表示方法如下：
| 類型 | 前綴 | 示例 |
|---|---|---|
| n/a | n/a | 11 |
| 二進制 | 0b 或者 0B | 0b11 |
| 八進制 | 0o 或者 0O | 0o11 |
| 十六進制 | 0x 或者 0X | 0x11 |
>>> 11
11
>>> 0b11 # 二進制
3
>>> 0o11 # 八進制
9
>>> 0x11 # 16進制
17
深入Unicode
正如您所看到的，ASCII的問題在於它不是一個足夠大的字符集來容納世界上的語言，方言，符號和字形。 （這對於英語來說甚至都不夠大。）Unicode從根本上起到與ASCII相同的作用，但是Unicode擁有更大的存儲空間，具有1,114,112個可能的字符，能夠完全包含世界上所有的語言。事實上，ASCII是Unicode的完美子集。 Unicode表中的前128個字符與您合理期望的ASCII字符完全對應。
Unicode本身不是編碼，但是有很多遵循Unicode編碼規範編碼，後面講到的UTF-8就是其中一個。
Unicode vs UTF-8
Unicode是一種抽象編碼標準，而不是編碼。這就是UTF-8和其他編碼方案發揮作用的地方。 Unicode標準（字符到代碼點的映射）從其單個字符集定義了幾種不同的編碼。UTF-8及其較少使用的表兄弟UTF-16和UTF-32是用於將Unicode字符表示爲每個字符一個或多個字節的二進制數據的編碼格式。我們稍後將討論UTF-16和UTF-32，但到目前爲止，UTF-8佔據了最大份額。
Python 3裏的編碼與解碼
Python 3的str類型用於表示人類可讀的文本，可以包含任何Unicode字符。
相反，字節類型表示二進制數據或原始字節序列，它們本質上沒有附加編碼。
編碼和解碼是從一個到另一個的過程：
decode 和 encode 函數，默認編碼是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（）的結果是一個bytes對象，bytes對象只允許ASCII字符。這就是爲什麼在調用“ElNiño”.encode（“utf-8”）時，允許ASCII兼容的“El”按原樣表示，但帶有波浪號的n被轉義爲“\ xc3 \ xb1”。 這個看起來很亂的序列代表兩個字節，十六進制爲0xc3和0xb1：
>>> " ".join(f"{i:08b}" for i in (0xc3, 0xb1))
'11000011 10110001'
Python3一切字符皆Unicode
-
默認情況下，Python 3源代碼假定爲UTF-8。 這意味着您不需要＃ - * - 編碼：UTF-8 - * - 位於Python 3中.py文件的頂部。
-
默認情況下，所有文本（str）都是Unicode。 編碼的Unicode文本表示爲二進制數據（字節）。 str類型可以包含任何文字Unicode字符，例如“Δv/Δt”，所有這些字符都將存儲爲Unicode。
-
Unicode字符集中的任何內容都是標識符中的猶太符號，這意味着résumé=“〜/ Documents / resume.pdf”是有效的，雖然這看起來很花哨。
-
Python的re模塊默認爲re.UNICODE標誌而不是re.ASCII。 這意味着，例如，r“\ w”匹配Unicode字符，而不僅僅是ASCII字母。
-
str.encode（）和bytes.decode（）中的默認編碼是UTF-8。
還有一個更細微的屬性，即內置的open（）的默認編碼是依賴於平臺的，並且取決於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'
一個關鍵特性是UTF-8是一種可變長度編碼。回想一下關於ASCII的部分。 擴展ASCII-land中的所有內容最多需要一個字節的空間。 您可以使用以下生成器表達式快速證明這一點：
>>> all(len(chr(i).encode("ascii")) == 1 for i in range(128))
True
UTF-8完全不同。 給定的Unicode字符可以佔用1到4個字節。 以下是佔用四個字節的單個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]
這是len（）的一個微妙但重要的特性：
- 作爲Python str的單個Unicode字符的長度始終爲1，無論它佔用多少字節。
- 編碼爲字節的相同字符的長度將介於1和4之間。
UTF-16和UTF-32
我們來聊聊UTF-16和UTF-32，在實際的編程實踐中，它們和UTF-8區別還是很重要的，下面的通過實例我們來看看具體區別：
>>> letters = "αβγδ"
>>> rawdata = letters.encode("utf-8")
>>> rawdata.decode("utf-8")
'αβγδ'
>>> rawdata.decode("utf-16") #
'뇎닎돎듎'
在這種情況下，使用UTF-8編碼四個希臘字母然後解碼回UTF-16中的文本將產生一個完全不同語言（韓語）的文本str。
此表彙總了UTF-8，UTF-16和UTF-32下的字節範圍或字節數：
| 編碼 | 長度(字節) | 是否可變 |
|---|---|---|
| UTF-8 | 1~4 | 是 |
| UTF-16 | 2~4 | 是 |
| UTF-32 | 4 | 否 |
UTF系列編碼另外一個需要注意的地方是，UTF-8編碼佔用存儲空間不一定比UTF-16少，因爲他們都不是固定長度的。例如
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>>> 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（十進制的2048到65535）範圍內的代碼點佔用了UTF-8中的三個字節，而UTF-16中僅佔用了兩個字節。
正常情況下，最好不用使用UTF-16，除非特殊要求，不然UTF-8更加通用。
Python內建函數
Python內置了很多與編碼相關的函數：
- ascii()
- bin()
- bytes()
- chr()
- hex()
- int()
- oct()
- ord()
- str()
可以分成以下幾組:
- ascii()，bin()，hex()和oct(), 第一個是ascii()，它生成一個僅對象的ASCII表示，其中非ASCII字符被轉義。 其餘三個分別給出整數的二進制，十六進制和八進制表示。
- bytes()，str()和int()是各自類型，bytes，str和int的類構造函數。 它們各自提供了將輸入強制轉換爲所需類型的方法。 例如，如前所述，雖然int(11.0)可能更常見，但您可能也會看到int(‘11’，base = 16)。
- ord()和chr()，ord()將str字符轉換爲10進制，而chr()執行相反的操作。
Python中的其他編碼
目前，我們講了4中編碼：
- ASCII
- UTF-8
- UTF-16
- UTF-32
還有其他很多編碼，比如Latin-1(也稱作ISO-8859-1)，這是HTTP默認的編碼，然而windows是Latin-1變體，稱作cp1252。
完整的已接受編碼列表隱藏在編解碼器模塊的文檔中，該模塊是Python標準庫的一部分。
還有一個有用的公認編碼需要注意，即“unicode-escape”。 如果您有一個已解碼的str並希望快速獲得其轉義的Unicode文字的表示，那麼您可以在.encode（）中指定此編碼：
>>> 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'
注意外部數據編碼
雖然Python代碼默認使用了UTF-8作爲編碼，但並不意味着外部輸入的數據也是UTF-8編碼的，如果這些外部的數據沒有指定編碼，那麼在處理他們是，你就要格外小心了。比如你調用API獲取數據，正常是用UTF-8去解碼，沒有問題，但如果突然API給你返回這樣的數據:
>>> 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
這地方拋出了UnicodeDecodeError錯誤，仔細檢查，發現其實數據的編碼是Latin-1。
>>> data.decode("latin-1")
'¼ cup of flour'
如果你對字符串的編碼不確定，可以使用chardet庫來檢查字符串編碼。
總結
在本文中你已經瞭解了編碼的詳細原理，相信你在以後的編程過程中，再遇到編碼錯誤，相信你能比較從容的解決了。
