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Python 2.x 字符编码终极指南

2017-1-4 22:04| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 21063| 评论: 0|原作者: selfboot |来自: 伯乐在线

摘要: 在人机交互之字符编码 一文中对字符编码进行了详细的讨论,并通过一些简单的小程序验证了我们对于字符编码的认识。但仅了解这篇文章的内容,并不能帮我们在日常编程中躲过一些字符编码相关的坑,Stackoverflow 上就 ...

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在人机交互之字符编码 一文中对字符编码进行了详细的讨论,并通过一些简单的小程序验证了我们对于字符编码的认识。但仅了解这篇文章的内容,并不能帮我们在日常编程中躲过一些字符编码相关的坑,Stackoverflow 上就有大量编码相关的问题,比如 1,2,3。

本文首先尝试对编码、解码进行一个宏观、直观的解读,然后详细来解释 python2 中的str和unicode,并对常见的UnicodeEncodeError 和 UnicodeDecodeError 异常进行剖析。

如何理解编、解码?
如何去理解编码、解码?举个例子,Alice同学刚加入了机器学习这门课,想给同班的Bob同学打个招呼。但是作为人,Alice不能通过意念和Bob交流,必须通过某种方式,比如手语、声音、文字等来表达自己的想法。如果Alice选择用文字,那么他可能会写下这么一段文字:My name is: boot …… 来学机器学习喽,写文字这个过程其实就是编码,经过编码后的文字才能给Bob看。Bob收到Alice的文字后,就会用自己对文字的认知来解读Alice传达的含义,这个过程其实就是解码。当然,如果Bob不懂中文,那么就无法理解Alice的最后一句了,如果Bob不识字,就完全不知道Alice想表达什么了。

上面的例子只是为了方便我们理解编码、解码这个抽象的概念,现在来看看对于计算机程序来说,如何去理解字符的编码、解码过程。我们知道绝大多数程序都是读取数据,做一些操作,然后输出数据。比如当我们打开一个文本文件时,就会从硬盘读取文件中的数据,接着我们输入了新的数据,点击保存后,文本程序会将更新后的内容输出到硬盘。程序读取数据就相当于Bob读文字,必须进行一个解码的过程,解码后的数据才能让我们进行各种操作。同理,保存到硬盘时,也需要对数据进行编码。

下图方框 A 代表一个输出数据的程序,方框 B 代表一个读取数据的程序。当然这里的程序只是一个概念,表示一个处理数据的逻辑单元,可以是一个进程、一个函数甚至一个语句等。A 和 B 也可以是同一个程序,先解码外部获取的数据,内部操作后,再进行某种编码。

值得注意的是,有的编码方案不一定能表示某些信息,这时编码就会失败,比如 ASCII 就不能用来表示中文。当然,如果以错误的方式去解读某段内容,解码也会失败,比如用 ASCII 来解读包含 UTF-8的信息。至于什么是 ASCII,UTF-8等,在人机交互之字符编码 中有详细的说明,这里不再赘述。下面结合具体的例子,来看看编码、解码的细节问题。

python2.x 中的字符串
在程序设计中,字符串一般是指一连串的字符,比如hello world!、你好或者もしもし(日语)等等。各种语言对于字符串的支持各不相同,Python 2 中字符串的设计颇不合理,导致新手经常会出现各种问题,类似下面的提示信息相信很多人都遇到过(UnicodeEncodeError 或者 UnicodeDecodeError):

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

下面我们一起来解决这个疑难杂症。首先需要搞清楚python中的两个类型:<type 'str'> 和 <type 'unicode'>,文档中关于这两个类型的说明其实挺含糊的:

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”.

上面并没有给出什么有用的信息,不过好在这篇文章(https://www.azavea.com/blog/2014/03/24/solving-unicode-problems-in-python-2-7/)讲的特别好,简单来说:

str:是字节串(container for bytes),由 Unicode 经过编码(encode)后的字节组成的。
unicode:真正意义上的字符串,其中的每个字符用 Unicode 中对应的 Code Point 表示。翻译成人话就是,unicode 有点类似于前面 Alice 打招呼传递的想法,而 str 则是写下来的文字(或者是说出来的声音,甚至可以是手语)。我们可以用 GBK,UTF-8 等编码方案将 Unicode 类型转换为 str 类型,类似于用语言、文字或者手语来表达想法。

repr 与终端交互
为了彻底理解字符编码、解码,下面要用 python 交互界面进行一些小实验来加深我们的理解(下面所有的交互代码均在 Linux 平台下)。在这之前,我们先来看下面交互代码:

>>> demo = 'Test 试试'
>>> demo
'Test \xe8\xaf\x95\xe8\xaf\x95'

当我们只输入标识符 demo 时,终端返回了 demo 的内容。这里返回的内容是怎么得到呢?答案是通过 repr() 函数 获得。文档中对于 repr 函数解释如下:

> Return a string containing a printable representation of an object.

所以,我们可以在源文件中用下面的代码,来获取和上面终端一样的输出。

#! /usr/bin/env python
# -*- coding: UTF-8 -*-
demo = 'Test 试试'
print repr(demo)
# 'Test \xe8\xaf\x95\xe8\xaf\x95'

对于字符串来说,repr() 的返回值很好地说明了其在python内部的表示方式。通过 repr 的返回值,我们可以真切体会到前面提到的两点:

str:实际上是字节串
unicode:真正意义上的字符串下面分别来看看这两个类型。

unicode 类型
unicode 是真正意义上的字符串,为了理解这句话,先看下面的一段代码:

>>> unicode_str = u'Welcome to 广州' # ''前面的 u 表示这是一个 unicode 字符串
>>> unicode_str, type(unicode_str) # repr(unicode_str)
(u'Welcome to \u5e7f\u5dde', <type 'unicode'>)

repr 返回的 Welcome to \u5e7f\u5dde 说明了unicode_str存储的内容,其中两个\u后面的数字分别对应了广、州在unicode中的code point:

5e7f 对应广字;
5dde 对应州字;英文字母也有对应的code point,它的值等于ASCII值,不过repr并没有直接输出。我们可以在站长工具中查看所有字符对应的code point。也可以用 python 的内置函数 ord 查看字符的 code point,如下所示(调用了 format 将code point转换为十六进制):

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

总结一下,我们可以将 <type 'unicode'> 看作是一系列字符组成的数组,数组的每一项是一个code point,用来表示相应位置的字符。所以对于 unicode 来说,其长度等于它包含的字符(a 和 广 都是一个字符)的数目。

>>> len(unicode_str)
13
>>> unicode_str[0], unicode_str[12], unicode_str[-1]
(u'W', u'\u5dde', u'\u5dde')

str 类型
str 是字节串(container for bytes),为了理解这句话,先来看下面的一段代码:

>>> str_str = 'Welcome to 广州' # 这是一个 str
>>> str_str, type(str_str)
('Welcome to \xe5\xb9\xbf\xe5\xb7\x9e', <type 'str'>)

python中 \xhh(h为16进制数字)表示一个字节,输出中的\xe5\xb9\xbf\xe5\xb7\x9e 就是所谓的字节串,它对应了广州。实际上 str_str 中的英文字母也是保存为字节串的,不过 repr 并没有以 \x 的形式返回。为了验证上面输出内容确实是字节串,我们用python提供的 bytearray 函数将相同内容的 unicode字符串用 UTF-8 编码为字节数组,如下所示:

>>> unicode_str = u'Welcome to 广州'
>>> bytearray(unicode_str, 'UTF-8')
bytearray(b'Welcome to \xe5\xb9\xbf\xe5\xb7\x9e')
>>> list(bytearray(unicode_str, 'UTF-8'))
# 字节数组,每一项为一个字节;
[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'))])
# 转换为 \xhh 的形式
\x57\x65\x6c\x63\x6f\x6d\x65\x20\x74\x6f\x20\xe5\xb9\xbf\xe5\xb7\x9e

可见,上面的 strstr 是 unicode_str 经过 UTF-8 编码 后的字节串。这里透漏了一个十分重要的信息,str类型隐含有某种编码方式,正是这种隐式编码(_implicit encoding)的存在导致了许多问题的出现(后面详细说明)。值得注意的是,str类型字节串的隐式编码不一定都是’UTF-8’,前面示例程序都是在 OS X 平台下的终端,所以隐式编码是 UTF-8。对于 Windows 而言,如果语言设置为简体中文,那么交互界面输出如下:

# Win 平台下,系统语言为简体中文
>>> str_str = 'Welcome to 广州'
>>> str_str, type(str_str)
('Welcome to \xb9\xe3\xd6\xdd', <type 'str'>)

这里str_str的隐式编码是cp936,可以用 bytearray(unicode_str, 'cp936') 来验证这点。终端下,str类型的隐式编码由系统 locale 决定,可以采用下面方式查看:

# Unix or Linux
>>> import locale
>>> locale.getdefaultlocale()
('zh_CN', 'UTF-8')
...
# 简体中文 Windows
>>> locale.getdefaultlocale()
('zh_CN', 'cp936')

总结一下,我们可以将 <type 'str'> 看作是unicode字符串经过某种编码后的字节组成的数组。数组的每一项是一个字节,用 \xhh 来表示。所以对于 str 字符串来说,其长度等于编码后字节的长度。

>>> len(str_str)
17
>>> str_str[0], str_str[-1]
('W', '\x9e') # 实际上是('\x57', '\x9e')

类型转换
Python 2.x 中为上面两种类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]])

利用上面的两个函数,可以实现 str 和 unicode 类型之间的相互转换,如下图所示:

上图中绿色线段标示的即为我们常用的转换方法,红色标示的转换在 python 2.x 中是合法的,不过没有什么意义,通常会抛出错误(可以参见 What is the difference between encode/decode?)。下面是两种类型之间的转换示例:

# decode: <type 'str'> 到 <type 'unicode'>的转换
>>> enc = str_str.decode('utf-8')
>>> enc, type(enc)
(u'Welcome to \u5e7f\u5dde', <type 'unicode'>)
 
# encode: <type 'unicode'> 到 <type 'str'> 的转换
>>> dec = unicode_str.encode('utf-8')
>>> dec, type(dec)
('Welcome to \xe5\xb9\xbf\xe5\xb7\x9e', <type 'str'>)

上面代码中通过encode将unicode类型编码为str类型,通过 decode 将str类型解码为unicode类型。当然,编码、解码的过程并不总是一帆风顺的,通常会出现各种错误。

编、解码错误
Python 中经常会遇到 UnicodeEncodeError 和 UnicodeDecodeError,怎么产生的呢? 如下代码所示:

>>> u'Hello 广州'.encode('ascii')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 6-7: ordinal not in range(128)
 
>>> 'Hello 广州'.decode('ascii')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 6: ordinal not in range(128)

当我们用 ascii 去编码带有中文的unicode字符串时,发生了UnicodeEncodeError,当我们用 ascii 去解码有中文的str字节串时,发生了UnicodeDecodeError。我们知道,ascii 只包含 127 个字符,根本无法表示中文。所以,让 ascii 来编码、解码中文,就超出了其能力范围。这就像你对一个不懂中文的老外说中文,他根本没法听懂。简单来说,所有的编码、解码错误都是由于所选的编码、解码方式无法表示某些字符造成的。

有时候我们就是想用 ascii 去编码一段夹杂中文的str字节串,并不希望抛出异常。那么可以通过 errors 参数来指定当无法编码某个字符时的处理方式,常用的处理方式有 “strict”,”ignore”和”replace”。改动后的程序如下:

>>> u'Hello 广州'.encode('ascii', 'replace')
'Hello ??'
>>> u'Hello 广州'.encode('ascii', 'ignore')
'Hello '

隐藏的解码
str和unicode类型都可以用来表示字符串,为了方便它们之间进行操作,python并不要求在操作之前统一类型,所以下面的代码是合法的,并且能得到正确的输出:

>>> new_str = u'Welcome to ' + 'GuangZhou'
>>> new_str, type(new_str)
(u'Welcome to GuangZhou', <type 'unicode'>)

因为str类型是隐含有某种编码方式的字节码,所以python内部将其解码为unicode后,再和unicode类型进行 + 操作,最后返回的结果也是unicode类型。

第2步的解码过程是在幕后悄悄发生的,默认采用ascii来进行解码,可以通过 sys.getdefaultencoding() 来获取默认编码方式。Python 之所以采用 ascii,是因为 ascii 是最早的编码方式,是许多编码方式的子集。

不过正是这个不可见的解码过程,有时候会导致出乎意料的解码错误,考虑下面的代码:

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

上面在字符串的+操作时,python 偷偷对’广州’用 ascii 做解码操作,所以抛出了UnicodeDecodeError异常。其实上面操作等同于 u'Welcome to' + '广州'.decode('ascii') ,你会发现这句代码抛出的异常和上面的一模一样。

隐藏的编码
Python 不只偷偷地用 ascii 来解码str类型的字节串,有时还会偷偷用ascii来编码unicode类型。如果函数或类等对象接收的是 str 类型的字符串,但传进去的是unicode,python2 就会使用 ascii 将其编码成str类型再做运算。

以raw_input为例,我们可以给 raw_input 函数提供 prompt 参数,作为输入提示内容。这里如果 prompt 是 unicode 类型,python会先用ascii对其进行编码,所以下面代码会抛出UnicodeEncodeError异常:

>>> a = raw_input(u'请输入内容: ')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
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'请输入内容: '.encode('ascii')),你会发现它们抛出的异常完全一样。此外,如果尝试将unicode字符串重定向输出到文本中,也可能会抛出UnicodeEncodeError异常。

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

当然,如果直接在终端进行输出,则不会抛出异常。因为python会使用控制台的默认编码,而不是 ascii。

总结
总结下本文的内容:

str可以看作是unicode字符串经过某种编码后的字节组成的数组
unicode是真正意义上的字符串
通过 encode 可以将unicode类型编码为str类型
通过 decode 可以将str类型解码为unicode类型
python 会隐式地进行编码、解码,默认采用 ascii
所有的编码、解码错误都是由于所选的编码、解码方式无法表示某些字符造成的

如果你明白了上面每句话的含义,那么应该能解决大部分编、解码引起的问题了。当然,本篇文章其实并不能帮你完全避免python编码中的坑(坑太多)。还有许多问题在这里并没有说明:

读取、写入文件时的编码问题:
数据库的读写
网络数据操作
源文件编码格式的指定

有空再详细谈谈上面列出的坑。

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