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Python2.x 字符編碼終極指南

Amio / 615人閱讀

摘要:值得注意的是,有的編碼方案不一定能表示某些信息,這時編碼就會失敗,比如就不能用來表示中文。數組的每一項是一個字節,用來表示。所以對于字符串來說,其長度等于編碼后字節的長度。所以,讓來編碼解碼中文,就超出了其能力范圍。

在人機交互之字符編碼 一文中對字符編碼進行了詳細的討論,并通過一些簡單的小程序驗證了我們對于字符編碼的認識。但僅了解這篇文章的內容,并不能幫我們在日常編程中躲過一些字符編碼相關的坑,Stackoverflow 上就有大量編碼相關的問題,比如 1,2,3。

本文首先嘗試對編碼、解碼進行一個宏觀、直觀的解讀,然后詳細來解釋 python2 中的str和unicode,并對常見的UnicodeEncodeError 和 UnicodeDecodeError 異常進行剖析。

如何理解編、解碼?

如何去理解編碼、解碼?舉個例子,Alice同學剛加入了機器學習這門課,想給同班的Bob同學打個招呼。但是作為人,Alice不能通過意念和Bob交流,必須通過某種方式,比如手語、聲音、文字等來表達自己的想法。如果Alice選擇用文字,那么他可能會寫下這么一段文字:My name is: boot …… 來學機器學習嘍,寫文字這個過程其實就是編碼,經過編碼后的文字才能給Bob看。Bob收到Alice的文字后,就會用自己對文字的認知來解讀Alice傳達的含義,這個過程其實就是解碼。當然,如果Bob不懂中文,那么就無法理解Alice的最后一句了,如果Bob不識字,就完全不知道Alice想表達什么了。

上面的例子只是為了方便我們理解編碼、解碼這個抽象的概念,現在來看看對于計算機程序來說,如何去理解字符的編碼、解碼過程。我們知道絕大多數程序都是讀取數據,做一些操作,然后輸出數據。比如當我們打開一個文本文件時,就會從硬盤讀取文件中的數據,接著我們輸入了新的數據,點擊保存后,文本程序會將更新后的內容輸出到硬盤。程序讀取數據就相當于Bob讀文字,必須進行一個解碼的過程,解碼后的數據才能讓我們進行各種操作。同理,保存到硬盤時,也需要對數據進行編碼。

下圖方框 A 代表一個輸出數據的程序,方框 B 代表一個讀取數據的程序。當然這里的程序只是一個概念,表示一個處理數據的邏輯單元,可以是一個進程、一個函數甚至一個語句等。A 和 B 也可以是同一個程序,先解碼外部獲取的數據,內部操作后,再進行某種編碼。

值得注意的是,有的編碼方案不一定能表示某些信息,這時編碼就會失敗,比如 ASCII 就不能用來表示中文。當然,如果以錯誤的方式去解讀某段內容,解碼也會失敗,比如用 ASCII 來解讀包含 UTF-8的信息。至于什么是 ASCII,UTF-8等,在人機交互之字符編碼 中有詳細的說明,這里不再贅述。下面結合具體的例子,來看看編碼、解碼的細節問題。

python2.x 中的字符串

在程序設計中,字符串一般是指一連串的字符,比如hello world!你好或者もしもし(日語)等等。各種語言對于字符串的支持各不相同,Python 2 中字符串的設計頗不合理,導致新手經常會出現各種問題,類似下面的提示信息相信很多人都遇到過(UnicodeEncodeError 或者 UnicodeDecodeError):

Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
UnicodeEncodeError: "ascii" codec can"t encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128)

下面我們一起來解決這個疑難雜癥。首先需要搞清楚python中的兩個類型:,文檔中關于這兩個類型的說明其實挺含糊的:

There are seven sequence types: strings, Unicode strings, lists, ...

String literals are written in single or double quotes: "xyzzy", "frobozz". Unicode strings are much like strings, but are specified in the syntax using a preceding "u" character: u"abc", u"def".

上面并沒有給出什么有用的信息,不過好在這篇文章講的特別好,簡單來說:

str:是字節串(container for bytes),由 Unicode 經過編碼(encode)后的字節組成的。

unicode:真正意義上的字符串,其中的每個字符用 Unicode 中對應的 Code Point 表示。

翻譯成人話就是,unicode 有點類似于前面 Alice 打招呼傳遞的想法,而 str 則是寫下來的文字(或者是說出來的聲音,甚至可以是手語)。我們可以用 GBK,UTF-8 等編碼方案將 Unicode 類型轉換為 str 類型,類似于用語言、文字或者手語來表達想法。

repr 與終端交互

為了徹底理解字符編碼、解碼,下面要用 python 交互界面進行一些小實驗來加深我們的理解(下面所有的交互代碼均在 Linux 平臺下)。在這之前,我們先來看下面交互代碼:

>>> demo = "Test 試試"
>>> demo
"Test xe8xafx95xe8xafx95"

當我們只輸入標識符 demo 時,終端返回了 demo 的內容。這里返回的內容是怎么得到呢?答案是通過 repr() 函數 獲得。文檔中對于 repr 函數解釋如下:

Return a string containing a printable representation of an object.

所以,我們可以在源文件中用下面的代碼,來獲取和上面終端一樣的輸出。

#! /usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-
demo = "Test 試試"
print repr(demo)
# "Test xe8xafx95xe8xafx95"

對于字符串來說,repr() 的返回值很好地說明了其在python內部的表示方式。通過 repr 的返回值,我們可以真切體會到前面提到的兩點:

str:實際上是字節串

unicode:真正意義上的字符串

下面分別來看看這兩個類型。

unicode 類型

unicode 是真正意義上的字符串,為了理解這句話,先看下面的一段代碼:

>>> unicode_str = u"Welcome to 廣州" # ""前面的 u 表示這是一個 unicode 字符串
>>> unicode_str, type(unicode_str)  # repr(unicode_str)
(u"Welcome to u5e7fu5dde", )

repr 返回的 Welcome to u5e7fu5dde 說明了unicode_str存儲的內容,其中兩個u后面的數字分別對應了廣、州在unicode中的code point:

5e7f 對應字;

5dde 對應字;

英文字母也有對應的code point,它的值等于ASCII值,不過repr并沒有直接輸出。我們可以在站長工具中查看所有字符對應的code point。也可以用 python 的內置函數 ord 查看字符的 code point,如下所示(調用了 format 將code point轉換為十六進制):

>>> "{:04x}".format(ord(u"廣"))
"5e7f"
>>> "{:04x}".format(ord(u"W"))
"0057"

總結一下,我們可以將 看作是一系列字符組成的數組,數組的每一項是一個code point,用來表示相應位置的字符。所以對于 unicode 來說,其長度等于它包含的字符(a 都是一個字符)的數目。

>>> len(unicode_str)
13
>>> unicode_str[0], unicode_str[12], unicode_str[-1]
(u"W", u"u5dde", u"u5dde")
str 類型

str 是字節串(container for bytes),為了理解這句話,先來看下面的一段代碼:

>>> str_str = "Welcome to 廣州"       # 這是一個 str
>>> str_str, type(str_str)
("Welcome to xe5xb9xbfxe5xb7x9e", )

python中 xhh(h為16進制數字)表示一個字節,輸出中的xe5xb9xbfxe5xb7x9e 就是所謂的字節串,它對應了廣州。實際上 str_str 中的英文字母也是保存為字節串的,不過 repr 并沒有以 x 的形式返回。為了驗證上面輸出內容確實是字節串,我們用python提供的 bytearray 函數將相同內容的 unicode字符串用 UTF-8 編碼為字節數組,如下所示:

>>> unicode_str = u"Welcome to 廣州"
>>> bytearray(unicode_str, "UTF-8")
bytearray(b"Welcome to xe5xb9xbfxe5xb7x9e")
>>> list(bytearray(unicode_str, "UTF-8")) 
# 字節數組,每一項為一個字節;
[87, 101, 108, 99, 111, 109, 101, 32, 116, 111, 32, 229, 185, 191, 229, 183, 158]
>>> print r"x" + r"x".join(["%02x" % c for c in list(bytearray(unicode_str, "UTF-8"))])
# 轉換為 xhh 的形式
x57x65x6cx63x6fx6dx65x20x74x6fx20xe5xb9xbfxe5xb7x9e

可見,上面的 str_str 是 unicode_str 經過 UTF-8 編碼 后的字節串。這里透漏了一個十分重要的信息,類型隱含有某種編碼方式,正是這種隱式編碼(implicit encoding)的存在導致了許多問題的出現(后面詳細說明)。值得注意的是,str類型字節串的隱式編碼不一定都是"UTF-8",前面示例程序都是在 OS X 平臺下的終端,所以隱式編碼是 UTF-8。對于 Windows 而言,如果語言設置為簡體中文,那么交互界面輸出如下:

# Win 平臺下,系統語言為簡體中文
>>> str_str = "Welcome to 廣州"   
>>> str_str, type(str_str)
("Welcome to xb9xe3xd6xdd", )

這里str_str的隱式編碼是cp936,可以用 bytearray(unicode_str, "cp936") 來驗證這點。終端下,str類型的隱式編碼由系統 locale 決定,可以采用下面方式查看:

# Unix or Linux
>>> import locale
>>> locale.getdefaultlocale()       
("zh_CN", "UTF-8")
...
# 簡體中文 Windows
>>> locale.getdefaultlocale()       
("zh_CN", "cp936")

總結一下,我們可以將 看作是unicode字符串經過某種編碼后的字節組成的數組。數組的每一項是一個字節,用 xhh 來表示。所以對于 str 字符串來說,其長度等于編碼后字節的長度。

>>> len(str_str)
17
>>> str_str[0], str_str[-1]
("W", "x9e")       # 實際上是("x57", "x9e") 
類型轉換

Python 2.x 中為上面兩種類型的字符串都提供了 encode 和 decode 方法,原型如下:

str.decode([encoding[, errors]])
str.encode([encoding[, errors]])

利用上面的兩個函數,可以實現 str 和 unicode 類型之間的相互轉換,如下圖所示:

上圖中綠色線段標示的即為我們常用的轉換方法,紅色標示的轉換在 python 2.x 中是合法的,不過沒有什么意義,通常會拋出錯誤(可以參見 What is the difference between encode/decode?)。下面是兩種類型之間的轉換示例:

# decode: 的轉換
>>> enc = str_str.decode("utf-8")
>>> enc, type(enc)
(u"Welcome to u5e7fu5dde", )

# encode:  的轉換
>>> dec = unicode_str.encode("utf-8")
>>> dec, type(dec)
("Welcome to xe5xb9xbfxe5xb7x9e", )

上面代碼中通過encode將unicode類型編碼為str類型,通過 decode 將str類型解碼為unicode類型。當然,編碼、解碼的過程并不總是一帆風順的,通常會出現各種錯誤。

編、解碼錯誤

Python 中經常會遇到 UnicodeEncodeError 和 UnicodeDecodeError,怎么產生的呢? 如下代碼所示:

>>> u"Hello 廣州".encode("ascii")
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
UnicodeEncodeError: "ascii" codec can"t encode characters in position 6-7: ordinal not in range(128)

>>> "Hello 廣州".decode("ascii")
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
UnicodeDecodeError: "ascii" codec can"t decode byte 0xe5 in position 6: ordinal not in range(128)

當我們用 ascii 去編碼帶有中文的unicode字符串時,發生了UnicodeEncodeError,當我們用 ascii 去解碼有中文的str字節串時,發生了UnicodeDecodeError。我們知道,ascii 只包含 127 個字符,根本無法表示中文。所以,讓 ascii 來編碼、解碼中文,就超出了其能力范圍。這就像你對一個不懂中文的老外說中文,他根本沒法聽懂。簡單來說,所有的編碼、解碼錯誤都是由于所選的編碼、解碼方式無法表示某些字符造成的

有時候我們就是想用 ascii 去編碼一段夾雜中文的str字節串,并不希望拋出異常。那么可以通過 errors 參數來指定當無法編碼某個字符時的處理方式,常用的處理方式有 "strict","ignore"和"replace"。改動后的程序如下:

>>> u"Hello 廣州".encode("ascii", "replace")
"Hello ??"
>>> u"Hello 廣州".encode("ascii", "ignore")
"Hello "
隱藏的解碼

str和unicode類型都可以用來表示字符串,為了方便它們之間進行操作,python并不要求在操作之前統一類型,所以下面的代碼是合法的,并且能得到正確的輸出:

>>> new_str = u"Welcome to " + "GuangZhou"
>>> new_str, type(new_str)
(u"Welcome to GuangZhou", )

因為str類型是隱含有某種編碼方式的字節碼,所以python內部將其解碼為unicode后,再和unicode類型進行 + 操作,最后返回的結果也是unicode類型。

第2步的解碼過程是在幕后悄悄發生的,默認采用ascii來進行解碼,可以通過 sys.getdefaultencoding() 來獲取默認編碼方式。Python 之所以采用 ascii,是因為 ascii 是最早的編碼方式,是許多編碼方式的子集。

不過正是這個不可見的解碼過程,有時候會導致出乎意料的解碼錯誤,考慮下面的代碼:

>>> u"Welcome to" + "廣州"
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
UnicodeDecodeError: "ascii" codec can"t decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)

上面在字符串的+操作時,python 偷偷對"廣州"用 ascii 做解碼操作,所以拋出了UnicodeDecodeError異常。其實上面操作等同于 u"Welcome to" + "廣州".decode("ascii") ,你會發現這句代碼拋出的異常和上面的一模一樣。

隱藏的編碼

Python 不只偷偷地用 ascii 來解碼str類型的字節串,有時還會偷偷用ascii來編碼unicode類型。如果函數或類等對象接收的是 str 類型的字符串,但傳進去的是unicode,python2 就會使用 ascii 將其編碼成str類型再做運算。

以raw_input為例,我們可以給 raw_input 函數提供 prompt 參數,作為輸入提示內容。這里如果 prompt 是 unicode 類型,python會先用ascii對其進行編碼,所以下面代碼會拋出UnicodeEncodeError異常:

>>> a = raw_input(u"請輸入內容: ")
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in 
UnicodeEncodeError: "ascii" codec can"t encode characters in position 0-4: ordinal not in range(128)

上面操作完全等同于 a = raw_input(u"請輸入內容: ".encode("ascii")),你會發現它們拋出的異常完全一樣。此外,如果嘗試將unicode字符串重定向輸出到文本中,也可能會拋出UnicodeEncodeError異常。

$ cat a.py
demo = u"Test 試試"
print demo
$ python a.py > output
Traceback (most recent call last):
  File "a.py", line 5, in 
    print demo
UnicodeEncodeError: "ascii" codec can"t encode characters in position 5-6: ordinal not in range(128)

當然,如果直接在終端進行輸出,則不會拋出異常。因為python會使用控制臺的默認編碼,而不是 ascii。

總結

總結下本文的內容:

str可以看作是unicode字符串經過某種編碼后的字節組成的數組

unicode是真正意義上的字符串

通過 encode 可以將unicode類型編碼為str類型

通過 decode 可以將str類型解碼為unicode類型

python 會隱式地進行編碼、解碼,默認采用 ascii

所有的編碼、解碼錯誤都是由于所選的編碼、解碼方式無法表示某些字符造成的

如果你明白了上面每句話的含義,那么應該能解決大部分編、解碼引起的問題了。當然,本篇文章其實并不能幫你完全避免python編碼中的坑(坑太多)。還有許多問題在這里并沒有說明:

讀取、寫入文件時的編碼問題:

數據庫的讀寫

網絡數據操作

源文件編碼格式的指定

有空再詳細談談上面列出的坑。

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