深刻理解计算机系统cp1：存储单位与编码

摘要： 理解计算机是如何存储数据的。

• 原文：深刻理解计算机系统cp1：存储单位与编码
• 做者：Chor

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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。好比 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，不一样档次的计算机字长是不同的，好比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一次操做处理的实际位数是32位。同理，64位机能够处理64位。因而可知，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，好比咱们常说的网速100M/s，M/s其实Mbit/s，也就是兆比特每秒，咱们还能够写成100Mbps。

2. 编码

2.1 为何须要编码？

• 计算机只能理解0和1，没法理解英文、字母、汉字和其余特殊字符，这些字符须要通过编码才能成为计算机能够理解的二进制数。
• 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，须要有一个一一对应的映射，这个映射经过编码规则来实现。
• 一般所说的编码其实包括编码+字符集（即字符的集合体），好比 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。原本一个字节有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，能够表示256种字符。可是美国佬比较自私，以为只要能够表示本身的字母和一些特殊字符就足够了，因此 ASCII 没有占用最高位（而是固定为0），实际只用到了后面7位，它能够表示 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仍是太少了。

  PS：附送 ASCII 对照表一张：

  

• GB2312：

  1. 既然美国佬只解决了字母和特殊符号的编码问题，那么咱们中国人只好实现本身的编码，从而来表示汉字了。因此这时候出现了 GB2312 编码（国标码）。

  2. 问题：不幸的是，各个国家都是这么想的，因此小日本有了 Shift_JIS 编码，棒子有了 Euc-kr 编码…..一时之间各国都有了本身的标准，那么对于一个多语言混合的文原本说，存在着不一样的编码规则，最终必然致使乱码。

• Unicode：

  1. Unicode 解决了编码统一的问题。每种语言的每一个字符在 Unicode 的规则下，都只有统一且惟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 通常用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。咱们知道，ASCII 字符实际只须要一个字节就够了，而且最高位甚至都还不须要用到，可是 Unicode 又规定表示一个字符至少须要2个字节，那么一个 ASCII 字符前面就必需要补0以知足这个规则，例如字母 A 就须要用 00000000 01000001 表示，这些多余的0是一个极大的资源浪费。

• UTF-8：

  1. UTF：实际传输过程当中，基于不一样的系统平台，对 Unicode 会有不不一样的实现方式，其实现方式称为 Unicode Transformation Format，即 UTF。

  2. 做为 Unicode 的一种实现方式，UTF-8 展示了必定的灵活性——它是一种变长编码，会根据具体字符来改变所须要的表示字节。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概设为 10。剩下的没有说起的二进制位，所有为这个符号的 Unicode 码二进制数。Unicode 范围由 U+0080 起。

也能够看下面这张图：

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），所以“严”的UTF-8 编码须要三个字节，即格式 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。而后，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。这样就获得 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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