Юникод и традиционные кодировки

Внедрение Юникода привело к изменению подхода к традиционным 8-битным кодировкам. Если раньше кодировка задавалась шрифтом, то теперь она задаётся таблицей соответствия между данной кодировкой и Юникодом. Фактически 8-битные кодировки превратились в форму представления некоторого подмножества Юникода. Это намного упростило создание программ, которые должны работать с множеством разных кодировок: теперь, чтобы добавить поддержку ещё одной кодировки, надо всего лишь добавить ещё одну таблицу перекодировки в Юникод.

Кроме того, многие форматы данных позволяют вставлять любые символы Юникода, даже если документ записан в старой 8-битной кодировке. Например, в HTML можно использовать коды с амперсандом.

Реализации

Большинство современных операционных систем в той или иной степени обеспечивают поддержку Юникода.

В операционных системах семейства Windows NT для внутреннего представления имён файлов и других системных строк используется двухбайтовая кодировка UTF-16LE. Системные вызовы, принимающие строковые параметры, существуют в однобайтном и двухбайтном вариантах. Подробнее см. в статье Юникод в операционных системах семейства Microsoft Windows.

UNIX-подобные операционные системы, в том числе GNU/Linux, BSD, OS X, используют для представления Юникода кодировку UTF-8. Большинство программ могут работать с UTF-8 как с традиционными однобайтными кодировками, не обращая внимания на то, что символ представляется как несколько последовательных байт. Для работы с отдельными символами строки обычно перекодируются в UCS-4, так что каждому символу соответствует машинное слово.

Одной из первых успешных коммерческих реализаций Юникода стала среда программирования Java. В ней принципиально отказались от 8-битного представления символов в пользу 16-битного. Это решение увеличивало расход памяти, но позволило вернуть в программирование важную абстракцию: произвольный одиночный символ (тип char). В частности, программист мог работать со строкой, как с простым массивом. К сожалению, успех не был окончательным, Юникод перерос ограничение в 16 бит и к версии J2SE 5.0 произвольный символ снова стал занимать переменное число единиц памяти — один char или два (см. суррогатная пара).

Сейчас большинство языков программирования поддерживают строки Юникода, хотя их представление может различаться в зависимости от реализации.

Методы ввода

Поскольку ни одна раскладка клавиатуры не может позволить вводить все символы Юникода одновременно, от операционных систем и прикладных программ требуется поддержка альтернативных методов ввода произвольных символов Юникода.

Microsoft Windows

Основная статья: Юникод в операционных системах семейства Microsoft Windows

Хотя начиная с Windows 2000, служебная программа «Таблица символов» (charmap.exe) поддерживает символы Юникода и позволяет копировать их в буфер обмена, но эта поддержка ограничена только базовой плоскостью (коды символов U+0000…U+FFFF). Символы с кодами от U+10000 «Таблица символов» не отображает.

Похожая таблица есть, например, в Microsoft Word.

Иногда можно набрать шестнадцатеричный код, нажать Alt+X, и код будет заменён на соответствующий символ, например, в WordPad, Microsoft Word. В редакторах Alt+X выполняет и обратное преобразование.

Во многих программах MS Windows, чтобы получить символ Unicode, нужно при нажатой клавише Alt набрать десятичное значение кода символа на цифровой клавиатуре. Например, полезными при наборе кириллических текстов будут комбинации Alt+0171 («), Alt+0187 (») и Alt+0769 (знак ударения). Интересны также комбинации Alt+0133 (…) и Alt+0151 (—).

Macintosh

В Mac OS 8.5 и более поздних версиях поддерживается метод ввода, называемый «Unicode Hex Input». При зажатой клавише Option требуется набрать четырёхзначный шестнадцатеричный код требуемого символа. Этот метод позволяет вводить символы с кодами, большими U+FFFF, используя пары суррогатов; такие пары операционной системой будут автоматически заменены на одиночные символы. Этот метод ввода перед использованием нужно активизировать в соответствующем разделе системных настроек и затем выбрать как текущий метод ввода в меню клавиатуры.

Начиная с Mac OS X 10.2, существует также приложение «Character Palette», позволяющее выбирать символы из таблицы, в которой можно выделять символы определённого блока или символы, поддерживаемые конкретным шрифтом.

GNU/Linux

В GNOME также есть утилита «Таблица символов» (ранее gucharmap), позволяющая отображать символы определённого блока или системы письма и предоставляющая возможность поиска по названию или описанию символа. Когда код нужного символа известен, его можно ввести в соответствии со стандартом ISO 14755: при зажатых клавишах Ctrl+⇧ Shift ввести шестнадцатеричный код (начиная с некоторой версии GTK+, ввод кода нужно предварить нажатием клавиши «U»). Вводимый шестнадцатеричный код может иметь до 32 бит в длину, позволяя вводить любые символы Юникода без использования суррогатных пар.

Все приложения X Window, включая GNOME и KDE, поддерживают ввод при помощи клавиши Compose. Для клавиатур, на которых нет отдельной клавиши Compose, для этой цели можно назначить любую клавишу — например, ⇪ Caps Lock.

Консоль GNU/Linux также допускает ввод символа Юникода по его коду — для этого десятичный код символа нужно ввести цифрами расширенного блока клавиатуры при зажатой клавише Alt. Можно вводить символы и по их шестнадцатеричному коду: для этого нужно зажать клавишу AltGr, и для ввода цифр A—F использовать клавиши расширенного блока клавиатуры от NumLock до ↵ Enter (по часовой стрелке). Поддерживается также и ввод в соответствии с ISO 14755. Для того чтобы перечисленные способы могли работать, нужно включить в консоли режим Юникода вызовом unicode_start(1) и выбрать подходящий шрифт вызовом setfont(8).

Mozilla Firefox для Linux поддерживает ввод символов по ISO 14755.

Проблемы Юникода

В Юникоде английское «a» и польское «a» — один и тот же символ. Точно так же одним и тем же символом (но отличающимся от «a» латинского) считаются русское «а» и сербское «а». Такой принцип кодирования не универсален; по-видимому, решения «на все случаи жизни» вообще не может существовать.

· Тексты на китайском, корейском и японском языках имеют традиционное написание сверху вниз, начиная с правого верхнего угла. Переключение горизонтального и вертикального написания для этих языков не предусмотрено в Юникоде — это должно осуществляться средствами языков разметки или внутренними механизмами текстовых процессоров.

· Юникод предусматривает возможность разных начертаний одного и того же символа в зависимости от языка. Так, китайские иероглифы могут иметь разные начертания в китайском, японском (кандзи) и корейском (ханча), но при этом в Юникоде обозначаются одним и тем же символом (так называемая CJK-унификация), хотя упрощённые и полные иероглифы всё же имеют разные коды. Аналогично, русский и сербский языки используют разное начертание курсивных букв п и т (в сербском они выглядят как и и ш, см. сербский курсив). Поэтому нужно следить, чтобы текст всегда был правильно помечен как относящийся к тому или другому языку.

· Перевод из строчных букв в заглавные тоже зависит от языка. Например: в турецком существуют буквы İi и Iı — таким образом, турецкие правила изменения регистра конфликтуют с английскими, которые предписывают «i» переводить в «I». Подобные проблемы есть и в других языках — например, в канадском диалекте французского языка регистр переводится немного не так, как во Франции^[37].

· Даже с арабскими цифрами есть определённые типографские тонкости: цифры бывают «прописными» и «строчными», пропорциональными и моноширинными^[38] — для Юникода разницы между ними нет. Подобные нюансы остаются за программным обеспечением.

Некоторые недостатки связаны не с самим Юникодом, а с возможностями обработчиков текста.

· Файлы нелатинского текста в Юникоде всегда занимают больше места, так как один символ кодируется не одним байтом, как в различных национальных кодировках, а последовательностью байтов (исключение составляет UTF-8 для языков, алфавит которых укладывается в ASCII, а также наличие в тексте символов двух и более языков, алфавит которых не укладывается в ASCII^[39]). Файл шрифта, необходимый для отображения всех символов таблицы Юникод, занимает сравнительно много места в памяти и требует бо́льших вычислительных ресурсов, чем шрифт только одного национального языка пользователя^[40]. С увеличением мощности компьютерных систем и удешевлением памяти и дискового пространства эта проблема становится всё менее существенной; тем не менее, она остаётся актуальной для портативных устройств, например, для мобильных телефонов.

· Хотя поддержка Юникода реализована в наиболее распространённых операционных системах, до сих пор не всё прикладное программное обеспечение поддерживает корректную работу с ним. В частности, не всегда обрабатываются метки порядка байтов (BOM) и плохо поддерживаются диакритические символы. Проблема является временной и есть следствие сравнительной новизны стандартов Юникода (в сравнении с однобайтовыми национальными кодировками).

· Производительность всех программ обработки строк (в том числе и сортировок в БД) снижается при использовании Юникода вместо однобайтовых кодировок.

Некоторые редкие системы письма всё ещё не представлены должным образом в Юникоде. Изображение «длинных» надстрочных символов, простирающихся над несколькими буквами, как, например, в церковнославянском языке, пока не реализовано.

«Юникод» или «Уникод»?

«Unicode» — одновременно и имя собственное (или часть имени, например, Unicode Consortium), и имя нарицательное, происходящее из английского языка.

На первый взгляд предпочтительнее использовать написание «Уникод». В русском языке уже есть морфемы «уни-» (слова с латинским элементом «uni-» традиционно переводились и писались через «уни-»: универсальный, униполярный, унификация, униформа) и «код». Напротив, торговые марки, заимствованные из английского языка, обычно передаются посредством практической транскрипции, в которой деэтимологизированное сочетание букв «uni-» записывается в виде «юни-» («Юнилевер», «Юникс» и т. п.), то есть точно так же, как в случае с побуквенными сокращениями, вроде UNICEF «United Nations International Children’s Emergency Fund» — ЮНИСЕФ.

Написание «Юникод» уже твёрдо вошло в русскоязычные тексты. В Википедии используется более распространённый вариант. В MS Windows используется вариант «Юникод».

На сайте Консорциума есть специальная страница, где рассматриваются проблемы передачи слова «Unicode» в различных языках и системах письма. Для русской кириллицы указан вариант «Юникод»^[1].

Формы, принятые иностранными организациями для русской передачи слова «Unicode», являются рекомендательными.

UTF-16 (англ. Unicode Transformation Format) в информатике — один из способов кодирования символов из Юникода в виде последовательности 16-битных слов. Данная кодировка позволяет записывать символы Юникода в диапазонах U+0000..U+D7FF и U+E000..U+10FFFF (общим количеством 1 112 064). При этом каждый символ записывается одним или двумя словами (суррогатная пара).

Кодировка UTF-16 описана в приложении Q к международному стандарту ISO/IEC 10646, а также ей посвящён IETF RFC 2781 «UTF-16, an encoding of ISO 10646».

История появления

Первая версия Юникода (1991 г.) представляла собой 16-битную кодировку с фиксированной шириной символа; общее число разных символов было 2¹⁶ (65 536). Во второй версии Юникода (1996 г.) было решено значительно расширить кодовую область; для сохранения совместимости с теми системами, где уже был реализован 16-битный Юникод, и была создана UTF-16. Область 0xD800—0xDFFF, отведённая для суррогатных пар, ранее принадлежала к области «символов для частного использования».

Поскольку в UTF-16 можно отобразить 2²⁰+2¹⁶−2048 (1 112 064) символов, то это число и было выбрано в качестве новой величины кодового пространства Юникода

Принцип кодирования

	DC00	…	DFFE	DFFF
D800		…	0103FE	0103FF
D801		…	0107FE	0107FF
…	…
DBFF	10FC00	…	10FFFE

В UTF-16 символы кодируются двухбайтовыми словами с использованием всех возможных диапазонов значений (от 0 до FFFF₁₆). При этом можно кодировать символы Unicode в дипазонах 0000₁₆..D7FF₁₆ и E000₁₆..10FFFF₁₆. Исключенный отсюда диапазон D800₁₆..DFFF₁₆ используется как раз для кодирования так называемых суррогатных пар — символов, которые кодируются двумя 16-битными словами.

Символы Unicode до FFFF₁₆ включительно (исключая диапазон для суррогатов) записываются как есть 16-битным словом.

Символы же в диапазоне 10000₁₆..10FFFF₁₆ (больше 16 бит) кодируются по следующей схеме:

· Код символа арифметически сдвигается до нуля (из него вычитается минимальное число 10000₁₆). В результате получится значение от нуля до FFFFF₁₆, которое занимает до 20 бит.

· Старшие 10 бит (число в диапазоне 0000₁₆..03FF₁₆) суммируются с D800₁₆, и результат идёт в лидирующее (первое) слово, которое входит в диапазон D800₁₆..DBFF₁₆.

· Младшие 10 бит (тоже число в диапазоне 0000₁₆..03FF₁₆) суммируются с DC00₁₆, и результат идёт в последующее (второе) слово, которое входит в диапазон DC00₁₆..DFFF₁₆.

В обоих словах старшие 6 бит используются для обозначения суррогата. Биты с 11 по 15 (если вести отсчёт от нуля) имеют значения 11011₂, а 10-й бит содержит 0 у лидирующего слова и 1 — у последующего. В связи с этим можно легко определить, к чему относится каждое слово.

Порядок байт

Один символ кодировки UTF-16 представлен последовательностью двух байтов или двух пар байтов. Который из двух идёт впереди, старший или младший, зависит от порядка байтов. Систему, совместимую с процессорами x86, называют little endian, а с процессорами m68k и SPARC — big endian.

Для определения порядка байтов используется метка порядка байтов (англ. Byte order mark). В начале текста записывается код U+FEFF. При считывании, если вместо U+FEFF считалось U+FFFE, значит порядок байтов обратный, поскольку символа с кодом и U+FFFE в Юникоде нет. Так как в кодировке UTF-8 не используются значения 0xFE и 0xFF, можно использовать метку порядка байтов как признак, позволяющий различать UTF-16 и UTF-8.

UTF-16LE и UTF-16BE

Предусмотрена также возможность внешнего указания порядка байтов — для этого кодировка должна быть описана как UTF-16LE или UTF-16BE (little-endian / big-endian), а не просто UTF-16. В этом случае метка порядка байтов (U+FEFF) не нужна.

UTF-16 в ОС Windows

Основная статья: Юникод в операционных системах Microsoft

В API Win32, распространённом в современных версиях операционной системы Microsoft Windows, имеется два способа представления текста: в форме традиционных 8-битных кодовых страниц и в виде UTF-16.

При использовании UTF-16, Windows не накладывает ограничений на прикладные программы касательно кодирования текстовых файлов, позволяя им использовать как UTF-16LE, так и UTF-16BE посредством установки и трактовки соответствующейметки порядка байтов. Однако внутренний формат Windows - всегда UTF-16LE. Этот момент следует учитывать при работе с исполняемыми файлами, использующими юникодовые версии функций WinAPI. Строки в них всегда кодируются в UTF-16LE^[1].

В файловых системах NTFS, а также FAT с поддержкой длинных имён, имена файлов записываются также в UTF-16LE.

Примеры процедур

Примеры ниже записаны на псевдокоде и в них не учитывается маска порядка байт — они лишь показывают суть кодирования. Порядок байт — от младшего к старшему (Little-Endian, интеловский x86). Тип Word — двухбайтовое слово (16-битное беззнаковое целое), а тип UInt32 — 32-битное беззнаковое целое. Шестнадцатиричные значения начинаются со знака доллара «$».

Кодирование

В примере WriteWord() — условная процедура, которая пишет одно слово (при этом сдвигает внутренний указатель). Функция LoWord() возвращает младшее слово от 32-битного целого (старшие биты не глядя отбрасываются).

// Допустимые значения Code: $0000..$D7FF, $E000..$10FFFF.

Procedure WriteUTF16Char(Code: UInt32)

If (Code < $10000) Then

WriteWord(LoWord(Code))

Else

Code = Code - $10000

Var Lo10: Word = LoWord(Code And $3FF)

Var Hi10: Word = LoWord(Code Shr 10)

WriteWord($D800 Or Hi10)

WriteWord($DC00 Or Lo10)

End If

End Procedure

Раскодирование

В примере ReadWord() читает слово из потока (сдвигая при этом внутренний указатель). Она же при необходимости может корректировать порядок байт. Функция WordToUInt32 расширяет двухбайтовое слово до четырёхбайтового беззнакового целого, заполняя старшие биты нулями. Error() прерывает выполнение (по сути исключение).

// В случае успеха возвращаются значения

// в диапазонах $0000..$D7FF и $E000..$10FFFF.

Function ReadUTF16Char: UInt32

Var Leading: Word // Лидирующее (первое) слово.

Var Trailing: Word // Последующее (второе) слово.

Leading = ReadWord();