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一、计算机的编码与解码

探讨编码与解码问题前，首先要知道什么是编码？什么是解码？
计算机最终存储在存储设备（硬盘、U盘等）上的是二进制（比如：10110101010...），每次我们打开一个文件，计算机就从硬盘将数据读入内存进行解码，然后以人类可读的方式显示给我们。当我们保存文件或者数据的时候，计算机就会把我们编辑的文字、图片和视频等全部转化为二进制保存在硬盘，这个过程叫做编码。

解码：将字节流（二进制等）转换为字符等
编码：将字符等转换为字节流（二进制等）

二、UTF-8和Unicode的区别

Unicode包含全世界所有语言的字符，刚开始的Unicode基本都是采用2字节存储，但是随着全世界语言的加入，Unicode最后基本采用四字节存储。Unicode的前128位和ASCII码一样，因此多出的字节高位全部补零（ASCII码只要一个字节存储，第一位是0，所以可以表示2^7 = 128），这样就严重的浪费了存储空间。因此，现代计算机基本上采用unicode字符的变形 : 标准的UTF-8格式。

UTF-8编码把一个Unicode字符根据不同的数字大小编码成1-6个字节，常用的英文字母被编码成1个字节，汉字通常是3个字节，只有很生僻的字符才会被编码成4-6个字节。如果你要传输的文本包含大量英文字符，用UTF-8编码就能节省空间。

需要特别注意的是：2003年11月UTF-8 被 RFC 3629 重新规范，只能使用原来Unicode定义的区域， U+0000到U+10FFFF。即最多四个字节。6字节的utf-8是很久远的存在，已经不用了。

编码方式区别：

Unicode符号范围(十六进制)	UTF-8编码方式（二进制）
0000 0000-0000007F	0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF	110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

非常具有特色的UTF-8存储方式：

• 1个字节第一位是0
• 2个字节：最高字节前三位是110.... ，其余字节前两位是10...
• 3个字节：最高字节前四位是1110...，其余字节前两位是10...
  以此类推。

发现没，除了一个字节和ASCII码一致外，其他的都是几个字节编码，最高字节前几位就是几个1，外加一个0，其余字节的前两位都是10。规律非常简单。
实际的编码就是图中的XXX，而这些XXX和Unicode编码完全一致。就是将Unicode码按完全相同的高低顺序依次填到XXX的位置。
例如“汉”字的Unicode编码是6C49。6C49在0800-FFFF之间，所以肯定要用3字节模板了：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将6C49写成二进制是：0110 110001 001001， 用这个比特流依次代替模板中的x，得到：11100110 10110001 10001001，即E6 B1 89（请记住这个编码）。

三、python中的decode()和encode()函数

现在来看看python是怎么编码与解码的，在python中：
encode()函数用来编码
decode()函数用来解码

由于在python3中，所以的字符在内存中都是unicode编码，如果你想要进行编码与解码，unicode就是必须的桥梁。即，不管在硬盘等介质以什么方式存储，python内存全部将它们转化为unicode编码，然后以可视化的方式，通过输出设备（屏幕）显示给我们。

这不是我画的，来自网络

encode的作用是将unicode编码转换成其他编码的字符串，如str2.encode('utf-8')，表示将unicode编码的字符串str2转换成utf-8编码。

上图将‘汉’从uniocde字符转换为utf-8，显示的编码为b'\xe6\xb1\x89'，\x后边的三个正好是e6 b1 89，关于前边的b和\x我们后边再讲。

decode的作用是将其他编码的字符串解码成unicode编码，如str1.decode('utf-8')，表示将utf-8编码的字符串str1解码成unicode编码。

上图将b'\xe6\xb1\x89'按照utf-8的方式解码成unicode

四、python3中的str和bytes对象

在python3中，str对象bytes对象完全区分开了，就是字符串对象和字节对象完全区分了。bytes对象可以按照不同的编码格式进行编码。

encode()函数的主要作用就是告诉系统，我需要将unicode按照什么格式编码成bytes对象。编码后的bytes一般输出格式前边带一个b，表示为bytes对象，\x表示为十六进制，\x后边紧跟的是编码。
如图所示例子：又是e6 b1 89

很多人很奇怪为什么英文字符就能正确显示，汉子就是\x..

汉编码为：utf-8: b'\xe6\xb1\x89'
China编码为：utf-8: b'China'
这是为什么呢？
其实本来是将‘C’、‘h’、‘i’、‘n’、‘a’按照ACSII码表中的编码写成十六进制的，即'China'转换为bytes对象为：b'\x43\x68\x69\x6e\x61',就是完全的ASCII码，只不过系统为了方便，将英文字符全部显示成原始的模样。

字符	ASCII码（十进制）	ASCII码（十六进制）
C	67	43
h	104	68
i	105	69
n	110	6e
a	97	61

decode()函数的作用就是告诉系统，我们需要将当前bytes对象按照什么编码格式进行解码。

如果编码和解码的格式不一致就会报错：

其实还可以发现python的特性，解释型语言，只有解释到错误的语句才报错，前边‘汉’的bytes对象就完整的输出了。而在C++等语言中，在编译阶段就会出错的。