Сравнение кодировок Unicode

В этой статье сравниваются кодировки Unicode . Рассматриваются две ситуации: 8-битные чистые среды (что можно предположить) и среды, которые запрещают использование байтовых значений, у которых установлен старший бит. Первоначально такие запреты должны были разрешать ссылки, которые использовали только семь бит данных, но они остаются в некоторых стандартах, и поэтому некоторое программное обеспечение, соответствующее стандартам, должно генерировать сообщения, соответствующие ограничениям. Стандартная схема сжатия для Юникода и двоичное упорядоченное сжатие для Юникода исключены из сравнительных таблиц, поскольку их размер сложно просто определить количественно.

Проблемы совместимости

Файл UTF-8 , содержащий только символы ASCII , идентичен файлу ASCII. Устаревшие программы обычно могут обрабатывать файлы в кодировке UTF-8, даже если они содержат символы, отличные от ASCII. Например, функция C printf может печатать строку UTF-8, поскольку она ищет только символ ASCII «%» для определения строки форматирования и печатает все остальные байты без изменений, поэтому символы, отличные от ASCII, будут выводиться без изменений.

UTF-16 и UTF-32 несовместимы с файлами ASCII и поэтому требуют, чтобы программы, поддерживающие Unicode , отображали, печатали и манипулировали ими, даже если известно, что файл содержит только символы из подмножества ASCII. Поскольку они содержат много нулевых байтов, ими нельзя манипулировать с помощью обычной обработки строк с завершающим нулем даже для простых операций, таких как копирование.

Поэтому даже в большинстве систем UTF-16, таких как Windows и Java , текстовые файлы UTF-16 встречаются нечасто; старые 8-битные кодировки, такие как ASCII или ISO-8859-1, все еще используются без поддержки Unicode; или UTF-8 используется для Юникода. Одним из редких контрпримеров является «строчный» файл, используемый приложениями macOS ( Mac OS X 10.3 Panther и более поздних версий) для поиска интернационализированных версий сообщений, которые по умолчанию используют UTF-16, с «файлами, закодированными с использованием UTF-8... не гарантированно сработает».

XML кодируется по соглашению как UTF-8, и все процессоры XML должны поддерживать как минимум UTF-8 (включая US-ASCII по определению) и UTF-16.

Эффективность

UTF-8 требует 8, 16, 24 или 32 бита (от одного до четырех байтов ) для кодирования символа Юникода, UTF-16 требует 16 или 32 бита для кодирования символа, а UTF-32 всегда требует 32 бита для кодирования символа. . Первые 128 кодовых точек Юникода , от U+0000 до U+007F, которые используются для элементов управления C0 и символов базовой латиницы и которые взаимно однозначно соответствуют их эквивалентам в коде ASCII, кодируются с использованием 8 бит в UTF-8, 16. бит в UTF-16 и 32 бита в UTF-32.

Следующие 1920 символов, от U+0080 до U+07FF (охватывающие остаток почти всех латинских алфавитов , а также греческий , кириллический , коптский , армянский , иврит , арабский , сирийский , тана и нко ), требуют 16 бит. для кодирования как в UTF-8, так и в UTF-16, а также 32 бита в UTF-32. От U+0800 до U+FFFF, т.е. оставшаяся часть символов в базовой многоязычной плоскости (BMP, плоскость 0, от U+0000 до U+FFFF), которая включает в себя остальные символы большинства живых языков мира, UTF-8 требуется 24 бита для кодирования символа, UTF-16 — 16 бит, а UTF-32 — 32. Кодовые точки от U+010000 до U+10FFFF, которые представляют символы в дополнительных плоскостях (плоскостях 1–16), требуют 32 бита в UTF-8, UTF-16 и UTF-32.

Таким образом, файл в UTF-8 короче, чем в UTF-16, если кодовых точек ASCII больше, чем кодовых точек в диапазоне от U+0800 до U+FFFF. Удивительным результатом является то, что реальные документы, написанные на языках, которые используют символы только в верхнем диапазоне, по-прежнему часто короче в UTF-8 из-за широкого использования пробелов, цифр, знаков препинания, новых строк, разметки HTML и встроенных слов. аббревиатуры, написанные латинскими буквами. UTF-32 всегда длиннее, если нет кодовых точек меньше U+10000.

Все печатаемые символы в UTF-EBCDIC используют по крайней мере столько же байтов, сколько и в UTF-8, а большинство из них используют больше из-за принятого решения разрешить кодирование управляющих кодов C1 в виде отдельных байтов. Для семибитных сред UTF-7 более эффективно использует пространство, чем комбинация других кодировок Unicode с Quote-printable или Base64 практически для всех типов текста (см. « Семибитные среды » ниже).

Время обработки

Текст с кодировкой переменной длины, такой как UTF-8 или UTF-16, сложнее обрабатывать, если необходимо работать с отдельными единицами кода, а не с последовательностями единиц кода. На поиск не влияет то, имеют ли символы переменный размер, поскольку при поиске последовательности кодовых единиц не учитываются деления (для этого требуется, чтобы кодировка была самосинхронизирующейся , как и UTF-8, и UTF-16). Распространенным заблуждением является то, что необходимо «найти n- й символ» и что для этого требуется кодирование фиксированной длины; однако в реальном использовании число n получается только в результате проверки n-1 символов, поэтому в любом случае необходим последовательный доступ.

Когда последовательности символов с одним порядком байтов загружаются на машину с другим порядком байтов, символы необходимо преобразовать, прежде чем их можно будет эффективно обработать (или необходимы два процессора). Байтовые кодировки, такие как UTF-8, не имеют этой проблемы. UTF-16BE и UTF-32BE — с прямым порядком байтов , UTF-16LE и UTF-32LE — с прямым порядком байтов .

Проблемы с обработкой

Для обработки формат должен быть простым для поиска, усечения и, как правило, безопасным для обработки. Все обычные кодировки Unicode используют ту или иную форму кодовой единицы фиксированного размера. В зависимости от формата и кодовой точки, подлежащей кодированию, одна или несколько этих кодовых единиц будут представлять кодовую точку Юникода . Чтобы облегчить поиск и усечение, последовательность не должна встречаться внутри более длинной последовательности или пересекать границу двух других последовательностей. UTF-8, UTF-16, UTF-32 и UTF-EBCDIC обладают этими важными свойствами, а UTF-7 и GB 18030 — нет.

Символы фиксированного размера могут быть полезны, но даже если существует фиксированное количество байтов на одну кодовую точку (как в UTF-32), фиксированное количество байтов на отображаемый символ не существует из-за комбинирования символов . Учитывая эти несовместимости и другие особенности различных схем кодирования, обработка данных Юникода с помощью одного и того же (или совместимого) протокола во всех интерфейсах (например, использование API/библиотеки, обработка символов Юникода в модели клиент/сервер и т. д.) в целом может упростить весь конвейер, одновременно устраняя потенциальный источник ошибок.

UTF-16 популярен, потому что многие API появились в то время, когда Unicode имел 16-битную фиксированную ширину (так называемую UCS-2). Однако использование UTF-16 делает символы вне базовой многоязычной плоскости особым случаем, что увеличивает риск упущений, связанных с их обработкой. Тем не менее, программы, которые неправильно обрабатывают суррогатные пары, вероятно, также имеют проблемы с объединением последовательностей, поэтому использование UTF-32 вряд ли решит более общую проблему плохой обработки символов, состоящих из нескольких кодовых единиц.

Если какие-либо сохраненные данные находятся в формате UTF-8 (например, содержимое файлов или имена), очень сложно написать систему, которая использует UTF-16 или UTF-32 в качестве API. Это связано с тем фактом, что часто упускают из виду тот факт, что массив байтов, используемый UTF-8, может физически содержать недопустимые последовательности. Например, невозможно исправить недопустимое имя файла UTF-8 с помощью API UTF-16, поскольку никакая возможная строка UTF-16 не будет преобразована в это недопустимое имя файла. Обратное неверно: преобразовать недопустимый UTF-16 в уникальную (хотя и технически недействительную) строку UTF-8 тривиально, поэтому API UTF-8 может управлять файлами и именами как UTF-8, так и UTF-16, делая UTF -8 предпочтительнее в любой такой смешанной среде. Неудачный, но гораздо более распространенный обходной путь, используемый системами UTF-16, — это интерпретировать UTF-8 как некоторую другую кодировку, например CP-1252 , и игнорировать моджибаке для любых данных, отличных от ASCII.

Для связи и хранения

В UTF-16 и UTF-32 не определен порядок байтов , поэтому порядок байтов необходимо выбирать при их получении по байт-ориентированной сети или при чтении из байт-ориентированного хранилища. Этого можно добиться, используя метку порядка байтов в начале текста или предполагая обратный порядок байтов (RFC 2781). UTF-8 , UTF-16BE , UTF-32BE , UTF-16LE и UTF-32LE стандартизированы по однобайтовому порядку и не имеют этой проблемы.

Если поток байтов поврежден, некоторые кодировки восстанавливаются лучше, чем другие. UTF-8 и UTF-EBCDIC лучше всего подходят в этом отношении, поскольку они всегда могут выполнить повторную синхронизацию после повреждения или отсутствия байта в начале следующей кодовой точки; GB 18030 не может быть восстановлен до следующего не-числа ASCII. UTF-16 может обрабатывать измененные байты, но не нечетное количество пропущенных байтов, которые искажают весь следующий текст (хотя и создают необычные и/или неназначенные символы). Если биты могут быть потеряны, все они исказят следующий текст, хотя UTF-8 можно повторно синхронизировать, поскольку неправильные границы байтов приведут к недопустимому UTF-8 почти во всем тексте длиной более нескольких байт.

Подробно

В таблицах ниже указано количество байтов на кодовую точку для разных диапазонов Юникода. Любые дополнительные комментарии включены в таблицу. На рисунках предполагается, что накладные расходы в начале и конце блока текста незначительны.

NB. В таблицах ниже указано количество байтов на кодовую точку , а не на видимый пользователем «символ» (или «кластер графем»). Для описания одного кластера графем может потребоваться несколько кодовых точек, поэтому даже в UTF-32 необходимо соблюдать осторожность при разделении или объединении строк.

Восьмибитные среды

Диапазон кода (шестнадцатеричный)	UTF-8	UTF-16	UTF-32	UTF-EBCDIC	ГБ 18030
000000 – 00007F	1	2	4	1	1
000080 – 00009F	2				2 для персонажей, унаследованных от ГБ 2312 / ГБК (например, сейчас китайские иероглифы) 4 для все остальное.
0000A0 – 0003FF				2
000400 – 0007FF				3
000800 – 003FFF	3
004000 – 00FFFF				4
010000 – 03FFFF	4	4			4
040000 – 10FFFF				5

Семибитные среды

Эта таблица не может охватывать все особые случаи, поэтому ее следует использовать только для оценки и сравнения. Чтобы точно определить размер текста в кодировке, смотрите актуальные характеристики.

Диапазон кода (шестнадцатеричный)	UTF-7	UTF-8 цитируется- для печати	UTF-8 базовый64	UTF-16 q.-p.	UTF-16 (база64)	ГБ 18030 кв.-п.	ГБ 18030 база64
ASCII графические персонажи (кроме U+003D "=")	1 для «прямых символов» (зависит от настроек кодировщика для некоторых кодовых точек), 2 для U+002B «+», в остальном то же, что и для 000080 – 00FFFF	1	1 + 1 ⁄ 3	4	2 + 2 ⁄ 3	1	1 + 1 ⁄ 3
00003D (знак равенства)		3		6		3
ASCII управляющие символы : 000000 – 00001F и 00007F		1 или 3 в зависимости от направленности				1 или 3 в зависимости от направленности
000080 – 0007FF	5 для единичного случая внутри серии однобайтовых символов. Для пробежек 2 + 2 ⁄ 3 на символ плюс заполнение, чтобы получить целое число байтов плюс два для начала и завершения выполнения.	6	2 + 2 ⁄ 3	2–6 в зависимости от того, нужно ли экранировать значения байтов		4–6 для символов, унаследованных от GB2312/GBK (например, большинство китайских иероглифов) 8 для всего остального.	2 + 2 ⁄ 3 для символов, унаследованных от GB2312/GBK (например, большинство китайских иероглифов) 5 + 1 / 3 на всё остальное.
000800 – 00FFFF		9	4
010000 – 10FFFF	8 для единичного случая, 5 + 1 ⁄ 3 на символ плюс заполнение до целого числа плюс 2 для запуска	12	5 + 1 ⁄ 3	8–12 в зависимости от того, нужно ли экранировать младшие байты суррогатов.	5 + 1 ⁄ 3	8	5 + 1 ⁄ 3

Порядок байтов не влияет на размеры ( UTF-16BE и UTF-32BE имеют тот же размер, что и UTF-16LE и UTF-32LE соответственно). Использование UTF-32 под quote-printable крайне непрактично, но в случае реализации приведет к тому, что на одну кодовую точку будет приходиться 8–12 байт (в среднем около 10 байт), а именно для BMP каждая кодовая точка будет занимать ровно на 6 байт больше, чем тот же код в Quote-printable/UTF-16. Base64/UTF-32 получает 5 + 1/3 байта любой для кодовой точки.

Управляющий символ ASCII в формате Quote-printable или UTF-7 может быть представлен либо напрямую, либо закодирован (экранирован). Необходимость экранирования данного управляющего символа зависит от многих обстоятельств, но переводы строк в текстовых данных обычно кодируются напрямую.

Схемы сжатия

BOCU-1 и SCSU — это два способа сжатия данных Unicode. Их кодировка зависит от того, как часто используется текст. В большинстве текстов используется один и тот же сценарий; например, латиница , кириллица , греческий и так далее. Такое обычное использование позволяет сжимать многие фрагменты текста примерно до 1 байта на кодовую точку. Эти кодировки с отслеживанием состояния затрудняют произвольный доступ к тексту в любой позиции строки.

Эти две схемы сжатия не так эффективны, как другие схемы сжатия, такие как zip или bzip2 . Эти схемы сжатия общего назначения могут сжимать более длинные серии байтов до нескольких байтов. Схемы сжатия SCSU . и BOCU-1 не сжимают более теоретических 25% текста, закодированного как UTF-8, UTF-16 или UTF-32 Другие схемы сжатия общего назначения могут легко сжимать текст до 10 % от исходного размера. Схемы общего назначения требуют более сложных алгоритмов и более длинных фрагментов текста для хорошей степени сжатия.

Техническое примечание Unicode № 14 содержит более подробное сравнение схем сжатия.

Исторические: UTF-5 и UTF-6

Были сделаны предложения по UTF-5 и UTF-6 для интернационализации доменных имен (IDN). В предложении UTF-5 использовалась кодировка Base 32 , где Punycode (помимо прочего, и не совсем) является кодировкой Base 36 . Название UTF-5 для кодовой единицы из 5 бит объясняется уравнением 2 ⁵ = 32. Предложение UTF-6 добавило кодировку длины к UTF-5, здесь 6 просто означает UTF-5 плюс 1 . Позже рабочая группа IETF по IDN более эффективный Punycode . приняла для этой цели

Не подвергается серьезному преследованию

UTF-1 так и не получил серьезного признания. UTF-8 используется гораздо чаще.

Нонет - кодировки UTF-9 и UTF-18 являются первоапрельскими спецификациями RFC, хотя UTF-9 — это действующий формат преобразования Unicode для нонетов, а UTF-18 — это действующая нонет-кодировка для всех кодовых точек, не предназначенных для частного использования. Unicode 12 и более поздних версий, но не для дополнительных областей частного использования или частей Unicode 13 и более поздних версий .