关于Python编码这一篇文章就够了
typhoonpython 2019-11-19
概述
在使用Python或者其他的编程语言，都会多多少少遇到编码错误，处理起来非常痛苦。在Stack Overflow和其他的编程问答网站上，UnicodeDecodeError和UnicodeEncodeError也经常被提及。本篇教程希望能帮你认识Python编码，并能够从容的处理编码问题。
本教程提到的编码知识并不限定在Python，其他语言也大同小异，但我们依然会以Python为主，来演示和讲解编码知识。
通过该教程，你将学习到如下的知识:
- 获取有关字符编码和数字系统的概念
- 理解编码如何使用Python的str和bytes
- 通过int函数了解Python对数字系统的支持
- 熟悉Python字符编码和数字系统相关的内置函数
什么是字符编码
现在的编码规则已经有好多了，最简单、最基本是的ASCII编码，只要是你学过计算机相关的课程，你就应该多少了解一点ASCII编码，他是最小也是最适合了解字符编码原理的编码规则。具体如下：
- 小写英文字符：a-z
- 大写英文字符：A-Z
- 符号: 比如 $和!
- 空白符：回车、换行、空格等
- 一些不可打印的字符: 比如b等
那么，字符编码的定义到底是什么了？它是一种将字符（如字母，标点符号，符号，空格和控制字符）转换为整数并最终转换为bit进行存储的方法。 每个字符都可以编码为唯一的bit序列。 如果你对bit的概念不了解，请不要担心，我们后面会介绍。
ASCII码的字符被分为如下几组：
ASCII表一共包括128个字符，如果你想了解整个ASCII表，这里有
Python string模块
string模块是python里处理字符串很方便的模块，它包括了整个ASCII字符，让我们来看看部分string模块源码：
# From lib/python3.7/string.py
whitespace = ' \t\n\r\v\f'
ascii_lowercase = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'
ascii_uppercase = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
ascii_letters = ascii_lowercase + ascii_uppercase
digits = '0123456789'
hexdigits = digits + 'abcdef' + 'ABCDEF'
octdigits = '01234567'
punctuation = r"""!"#$%&'()*+,-./:;<=>?@[\]^_`{|}~"""
printable = digits + ascii_letters + punctuation + whitespace你可以在Python中这样使用string模块：
>>> import string >>> s = "What's wrong with ASCII?!?!?" >>> s.rstrip(string.punctuation) 'What's wrong with ASCII'
什么是bit
学过计算机相关课程的同学，应该都知道，bit是计算机内部存储单位，只有0和1两个状态(二进制)，我们上面所说的ASCII表，都是一个10进制的数字表示一个字符，而这个10进制数字，最终会转换成0和1，存储在计算机内部。例如(第一列是10进制数字，第二列是二进制，第三列是计算机内部存储结果):
这是一种在Python中将ASCII字符串表示为位序列的方便方法。 ASCII字符串中的每个字符都被伪编码为8位，8位序列之间有空格，每个字符代表一个字符：
>>> 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'我们也可以是用python的f-string 来格式化，比如f"{ord(i):08b}"：
- 冒号的左侧是ord（i），它是实际的对象，其值将被格式化并插入到输出中。 使用ord（）为单个str字符提供了base-10代码点。
- 冒号的右侧是格式说明符。 08表示宽度为8,0填充，b用作在基数2（二进制）中输出结果数的符号。
ASCII编码不够用了
ASCII采用的是8bit来存储字符(只使用7位，剩下的1位二进制为0)，所以，ASCII最多存储128个字符，这有个简单的公式，计算存储字符的bit数量与存储字符总数的关系：2的n次方，n表示bit数量。例如：
- 1bit存储2个字符
- 8bit存储256个字符
- 64bit存储2的64次方 == 18,446,744,073,709,551,616
我们可以写个简单的代码，来计算一下，指定字符数量，至少需要多少bit来存储：
>>> from math import ceil, log >>> def n_bits_required(nvalues: int) -> int: ... return ceil(log(nvalues) / log(2)) >>> n_bits_required(256) 8
数字系统
在上面的ASCII讨论中，您看到每个字符映射到0到127范围内的整数。但在CPython中还有其他的数字系统，通过其他方式是表示数字。除了十进制外，python还支持以下几个方式：
- Binary: 2进制
- Octal: 8进制
- Hexadecimal (hex): 16进制
你可能要问，为什么有了十进制，还要支持这么多其他进制的数字了？这个取决你的业务场景和操作系统，在Python里，把str转换成int，默认是10进制的。
>>> 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你可以在赋值时，直接告诉解释器数字的类型，不同进制标表示方法如下：
| 类型 | 前缀 | 示例 |
|---|---|---|
| n/a | n/a | 11 |
| 二进制 | 0b 或者 0B | 0b11 |
| 八进制 | 0o 或者 0O | 0o11 |
| 十六进制 | 0x 或者 0X | 0x11 |
>>> 11 11 >>> 0b11 # 二进制 3 >>> 0o11 # 八进制 9 >>> 0x11 # 16进制 17
深入Unicode
正如您所看到的，ASCII的问题在于它不是一个足够大的字符集来容纳世界上的语言，方言，符号和字形。 （这对于英语来说甚至都不够大。）Unicode从根本上起到与ASCII相同的作用，但是Unicode拥有更大的存储空间，具有1,114,112个可能的字符，能够完全包含世界上所有的语言。事实上，ASCII是Unicode的完美子集。 Unicode表中的前128个字符与您合理期望的ASCII字符完全对应。
Unicode本身不是编码，但是有很多遵循Unicode编码规范编码，后面讲到的UTF-8就是其中一个。
Unicode vs UTF-8
Unicode是一种抽象编码标准，而不是编码。这就是UTF-8和其他编码方案发挥作用的地方。 Unicode标准（字符到代码点的映射）从其单个字符集定义了几种不同的编码。UTF-8及其较少使用的表兄弟UTF-16和UTF-32是用于将Unicode字符表示为每个字符一个或多个字节的二进制数据的编码格式。我们稍后将讨论UTF-16和UTF-32，但到目前为止，UTF-8占据了最大份额。
Python 3里的编码与解码
Python 3的str类型用于表示人类可读的文本，可以包含任何Unicode字符。
相反，字节类型表示二进制数据或原始字节序列，它们本质上没有附加编码。
编码和解码是从一个到另一个的过程：
decode 和 encode 函数，默认编码是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（）的结果是一个bytes对象，bytes对象只允许ASCII字符。这就是为什么在调用“ElNiño”.encode（“utf-8”）时，允许ASCII兼容的“El”按原样表示，但带有波浪号的n被转义为“ xc3 xb1”。 这个看起来很乱的序列代表两个字节，十六进制为0xc3和0xb1：
>>> " ".join(f"{i:08b}" for i in (0xc3, 0xb1))
'11000011 10110001'Python3一切字符皆Unicode
- 默认情况下，Python 3源代码假定为UTF-8。 这意味着您不需要＃ - - 编码：UTF-8 - - 位于Python 3中.py文件的顶部。
- 默认情况下，所有文本（str）都是Unicode。 编码的Unicode文本表示为二进制数据（字节）。 str类型可以包含任何文字Unicode字符，例如“Δv/Δt”，所有这些字符都将存储为Unicode。
- Unicode字符集中的任何内容都是标识符中的犹太符号，这意味着résumé=“〜/ Documents / resume.pdf”是有效的，虽然这看起来很花哨。
- Python的re模块默认为re.UNICODE标志而不是re.ASCII。 这意味着，例如，r“ w”匹配Unicode字符，而不仅仅是ASCII字母。
- str.encode（）和bytes.decode（）中的默认编码是UTF-8。
还有一个更细微的属性，即内置的open（）的默认编码是依赖于平台的，并且取决于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'
一个关键特性是UTF-8是一种可变长度编码。回想一下关于ASCII的部分。 扩展ASCII-land中的所有内容最多需要一个字节的空间。 您可以使用以下生成器表达式快速证明这一点：
>>> all(len(chr(i).encode("ascii")) == 1 for i in range(128))
TrueUTF-8完全不同。 给定的Unicode字符可以占用1到4个字节。 以下是占用四个字节的单个Unicode字符的示例：
>>> ibrow = "
