人类交流使用 A、B、C、中 等字符，但计算机只认识 0 和 1。因此，就需要将人类的字符，转换成计算机认识的二进制编码。这个过程就是字符编码。
ASCII
最简单、常用的字符编码就是 ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码），它将美国人最常用的 26 个英文字符的大小写和常用的标点符号，编码成 0 到 127 的数字。例如 A 映射成 65 (0x41)，这样计算机中就可以用 0100 0001 这组二进制数据，来表示字母 A 了。
ASCII 编码的字符可以分成两类：
- 控制字符：
0-31和127(0x00-0x1F和0x7F) - 可显示字符：
32-126(0x20-0x7E)
具体字符表可以参考：ASCII - 维基百科，自由的百科全书。
Unicode
ASCII 只编码了美国常用的 128 个字符。显然不足以满足世界上这么多国家、这么多语言的字符使用。于是各个国家和地区，就都开始对自己需要的字符设计其他编码方案。例如，中国有自己的 GB2312，不够用了之后又扩展了 GBK，还是不够用，又有了 GB18030。欧洲有一系列的 ISO-8859 编码。这样各国人民就都可以在计算机上处理自己的语言文字了。
但每种编码方案，都只考虑了自己用到的字符，没办法跨服交流。如果一篇文档里，同时使用了多种语言的字符，总不能分别指定哪个字符使用了那种编码方式。
如果能统一给世界上的所有字符分配编码，就可以解决跨服交流的问题了，Unicode 就是来干这个事情的。
Unicode 统一编码了世界上大部分的字符，例如将 A 编码成 0x00A1，将 中 编码成 0x4E2D，将 α 编码成 0x03B1。这样，中国人、美国人、欧洲人，就可以使用同一种编码方式交流了。
一个 Unicode 字符可以使用 U+ 和 4 到 6 个十六进制数字来表示。例如 U+0041 表示字符 A、U+4E2D 表示字符 中，U+03B1 表示字符 α。
Unicode 最初编码的范围是 0x0000 到 0xFFFF，也就是两个字节，最多 65536 (2^16) 个字符。但随着编码的字符越来越多，两个字节的编码空间已经不够用，因此又引入了 16 个辅助平面，每个辅助平面同样最多包含 65536 个字符。原来的编码范围称为基本平面，也叫第 0 平面。
各平面的字符范围和名称如下表：
| 平面 | 字符范围 | 名称 |
|---|---|---|
| 0 号平面 | U+0000 - U+FFFF |
基本多文种平面 (Basic Multilingual Plane, BMP) |
| 1 号平面 | U+10000 - U+1FFFF |
多文种补充平面 (Supplementary Multilingual Plane, SMP) |
| 2 号平面 | U+20000 - U+2FFFF |
表意文字补充平面 (Supplementary Ideographic Plane, SIP) |
| 3 号平面 | U+30000 - U+3FFFF |
表意文字第三平面 (Tertiary Ideographic Plane, TIP) |
| 14 号平面 | U+E0000 - U+EFFFF |
特别用途补充平面 |
| 15 号平面 | U+F0000 - U+FFFFF |
保留作为私人使用区（A 区）(Private Use Area-A, PUA-A) |
| 16 号平面 | U+100000 - U+10FFFF |
保留作为私人使用区（B 区）(Private Use Area-B, PUA-B) |
每个平面内还会进一步划分成不同的区段。每个平面和区段具体说明参考 Unicode字符平面映射 - 维基百科，自由的百科全书；汉字相关的区段说明参考 中日韩统一表意文字 - 维基百科，自由的百科全书。Unicode 所有字符按平面和区段查找，可以参考 Roadmaps to Unicode；按区域和语言查找可以参考 Unicode Character Code Charts。
字符编码的基本概念
“字符编码”是一个模糊、笼统的概念，为了进一步说明字符编码的过程，需要将其拆解为一些更加明确的概念：
字符 (Character)
人类使用的字符。例如：
A；中等。
编码字符集 (Coded Character Set, CCS)
把一些字符的集合 (Character Set) 中的每个字符 (Character)，映射成一个编号或坐标。例如：
- 在 ASCII 中，把
A编号为65(0x41)； - 在 Unicode 中，把
中编号为0x4E2D； - 在 GB2312 中，把
中映射到第 54 区第 0 位。
这个映射的编号或坐标，叫做 Code Point。
Unicode 就是一个 CCS。
字符编码表 (Character Encoding Form, CEF)
把 Code Point 转换成特定长度的整型值的序列。这个特定长度的整型值叫做 Code Unit。例如：
- 在 ASCII 中，
0x41这个 Code Point 会被转换成0x41这个 Code Unit； - 在 UTF-8 中，
0x4E2D这个 Code Point 会被转换成0xE4 B8 AD这三个 Code Unit 的序列。
我们常用的 UTF-8、UTF-16 等，就是 CEF。
字符编码方案 (Character Encoding Scheme, CES)
把 Code Unit 序列转换成字节序列（也就是最终编码后的二进制数据，供计算机使用）。例如 ：
UTF-16 BE、UTF-32 LE 等，就是 CES。
这些概念间的关系如下：
因此，我们说 ASCII 是“字符编码”时，“字符编码”指的是上面从 Character 到字节数组的整个过程。因为 ASCII 足够简单，中间的 Code Point 到 Code Unit，再到字节数组，都是一样的，没必要拆开说。
而我们说 Unicode 是“字符编码”时，“字符编码”其实指的仅是上面的 CCS 部分。
同理，ASCII、Unicode、UTF-8、UTF-16、UTF-16 LE，都可以笼统的叫做“字符编码”，但每个“字符编码”表示的含义都是不同的。可能是 CCS、CEF、CES，也可能是整个过程。
Unicode 转换格式
Unicode 只是把字符映射成了 Code Point (字符编码表，CCS)。将 Code Point 转换成 Code Unit 序列（字符编码表，CEF），再最终将 Code Unit 序列转换成字节序列（字符编码方案，CES），有多种不同的实现方式。这些实现方式叫做 Unicode 转换格式 (Unicode Transformation Format, UTF)。主要包括：
- UTF-32
- UTF-16
- UTF-8
UTF-32
UTF-32 将每个 Unicode Code Point 转换成 1 个 32 位长的 Code Unit。
UTF-32 是固定长度的编码方案，每个 Code Unit 的值就是其 Code Point 的值。例如 0x00 00 00 41 这个 Code Unit，就表示了 0x0041 这个 Code Point。
UTF-32 的一个 Code Unit，需要转换成 4 个字节的序列。因此，有大端序 (UTF-32 BE) 和小端序 (UTF-32 LE) 两种转换方式。
例如 0x00 00 00 41 这个 Code Unit，使用 UTF-32 BE 最终会编码为 0x00 00 00 41；使用 UTF-32 LE 最终会编码为 0x41 00 00 00。
UTF-16
UTF-16 将每个 Unicode Code Point 转换成 1 到 2 个 16 位长的 Code Unit。
对于基本平面的 Code Point（0x0000 到 0xFFFF），每个 Code Point 转换成 1 个 Code Unit，Code Unit 的值就是其对应 Code Point 的值。例如 0x0041 这个 Code Unit，就表示了 0x0041 这个 Code Point。
对于辅助平面的 Code Point（0x010000 到 0x10FFFF），每个 Code Point 转换成 2 个 Code Unit 的序列。如果还是直接使用 Code Point 数值转换成 Code Unit，就有可能和基本平面的编码重叠。例如 U+010041 如果转换成 0x0001、0x0041 这两个 Code Unit，解码的时候没办法知道这是 U+010041 一个字符，还是 U+0001 和 U+0041 两个字符。
为了让辅助平面编码的两个 Code Unit，都不与基本平面编码的 Code Unit 重叠，就需要利用基本平面中一个特殊的区段了。基本平面中规定了从 0xD800 到 0xDFFF 之间的区段，是永久保留不映射任何字符的。UTF-16 将辅助平面的 Code Point，编码成一对在这个范围内的 Code Unit，叫做代理对。这样解码的时候，如果解析到某个 Code Unit 在 0xD800 到 0xDFFF 范围内，就知道他不是基本平面的 Code Unit，而是要两个 Code Unit 组合在一起去表示 Code Point。
具体转换方式是：
- 将辅助平面的 Code Point 的值 (
0x010000-0x10FFFF)，减去0x010000，得到0x00000到0xFFFFF范围内的一个数值，也就是最多 20 个比特位的数值 - 将前 10 位的值（范围在
0x0000到0x03FF），加上0xD800，得到范围在0xD800到0xDBFF的一个值，作为第一个 Code Unit，称作高位代理或前导代理 - 将后 10 位的值（范围在
0x0000到0x03FF），加上0xDC00，得到范围在0xDC00到0xDFFF的一个只，作为第二个 Code Unit，称作低位代理或后尾代理
基本平面中的 0xD800 - 0xDBFF 和 0xDC00 - 0xDFFF 这两个区段，也分别叫做 UTF-16 高半区 (High-half zone of UTF-16) 和 UTF-16 低半区 (Low-half zone of UTF-16)。
UTF-16 的一个 Code Unit，需要转换成 2 个字节的序列。因此，有大端序 (UTF-16 BE) 和小端序 (UTF-16 LE) 两种转换方式。
例如 0x0041 这个 Code Unit，使用 UTF-16 BE 最终会编码为 0x0041；使用 UTF-16 LE 最终会编码为 0x4100。
UTF-8
UTF-8 将每个 Unicode Code Point 转换成 1 到 4 个 8 位长的 Code Unit。
UTF-8 是不定长的编码方案，使用前缀来标识 Code Unit 序列的长度。解码时，根据前缀，就知道该将哪几个 Code Unit 组合在一起解析成一个 Code Point 了。
具体编码方式是：
| Code Point 范围 | Code Unit 个数 | 每个 Code Unit 前缀 | 示例 Code Point | 示例 Code Unit 序列 |
|---|---|---|---|---|
7 位以内 (0 - 0xEF) |
1 | 0b0 |
0b0zzz zzzz |
0b0zzz zzzz |
8 到 11 位 (0x80 - 0x07FF) |
2 | 第一个 0b110，剩下的 0b10 |
0b0yyy yyzz zzzz |
0b110y yyyy 10zz zzzz |
12 到 16 位 (0x0800 - 0xFFFF) |
3 | 第一个 0b1110，剩下的 0b10 |
0bxxxx yyyy yyzz zzzz |
0b1110 xxxx 10yy yyyy 10zz zzzz |
17 到 21 位 (0x10000 - 10FFFF) |
4 | 第一个 0b11110，剩下的 0b10 |
0b000w wwxx xxxx yyyy yyzz zzzz |
0b1111 0www 10xx xxxx 10yy yyyy 10zz zzzz |
解码时，拿到每个 Code Unit 的前缀，就知道这是对应第几个 Code Unit：
- 前缀是
0b0，说明这个 Code Point 是一个 Code Unit 组成 - 前缀是
0b110，说明这个 Code Point 是两个 Code Unit 组成，后面还会有 1 个0b10前缀的 Code Unit - 前缀是
0b1110，说明这个 Code Point 是三个 Code Unit 组成，后面还会有 2 个0b10前缀的 Code Unit - 前缀是
0b11110，说明这个 Code Point 是四个 Code Unit 组成，后面还会有 3 个0b10前缀的 Code Unit
UTF-8 的一个 Code Unit，刚好转换成 1 个字节，因此不需要考虑字节序。
参考上表，对于 ASCII 范围内的字符，使用 ASCII 和 UTF-8 编码的结果是一样的。所以 UTF-8 是 ASCII 的超集，使用 ASCII 编码的字节流也可以使用 UTF-8 解码。
UTF-8 与 UTF-16 对比
| Code Point 范围 | UTF-8 编码长度 | UTF-16 编码长度 |
|---|---|---|
7 位以内 (0x00 - 0xEF) |
1 | 2 |
8 到 11 位 (0x0080 - 0x07FF) |
2 | 2 |
12 到 16 位 (0x0800 - 0xFFFF) |
3 | 2 |
17 到 21 位 (0x10000 - 10FFFF) |
4 | 4 |
可以看出只有在 0x00 到 0xEF 范围的字符，UTF-8 编码比 UTF-16 短；而在 0x0800 - 0xFFFF 范围内，UTF-8 编码是比 UTF-16 长的。
而中文主要在 0x4E00 到 0x9FFF，如果写一篇文档，全都是中文，一个英文字母和符号都没有。那使用 UTF-8 编码，可能比 UTF-16 编码还要多占用一半的空间。
字节顺序标记
UTF-32 和 UTF-16 的一个 Code Unit，需要转换成多个字节的序列，因此存在字节序的问题。
可以在 UTF-32 或 UTF-16 编码的字节流开头，添加字节顺序标记 (byte-order mark, BOM)，来标识字节序。
BOM 是 U+FEFF 字符的名称。编码时，将 U+FEFF 编码在字节流的开头。解码时，读取前几个字节，就知道编码时的字节序了。
例如 UTF-16 的大端序，U+FEFF 会被编码成 0xFEFF，而小端序则会编码成 0xFFFE。这样根据开头是 0xFEFF 还是 0xFFFE，就知道编码时使用的大端序还是小端序了。
同理 UTF-32 的大端序，U+FEFF 会被编码成 0x00 00 FE FF，而小端序则会编码成 0xFF FE 00 00。这样根据开头，不光能区分出字节序，还能区分出是 UTF-32 还是 UTF-16。
UTF-8 的一个 Code Unit 只需要转换为 1 个字节，因此不存在字节序的问题，也就不需要 BOM。而且 0xFEFF 或 0xFFFE 字节序列，在 UTF-8 中都是不可能出现的。所以根据 BOM，也能区分出编码方式是不是 UTF-8。
如果硬要给 UTF-8 加 BOM，那就是将 0xFEFF (0b1111 1110 1111 1111) 进行 UTF-8 编码，得到 0xEF BB BF (0b1110 1111 1011 1011 1011 1111)，放在字节流的最前面。
之所以使用 U+FEFF 这个字符来标识字节序，可能是因为这个字符本身就表示“零宽非断空格”的含义。把他放在最前面，解码的时候支持 BOM，就把他按照字节序去理解；不支持的就把他解析成一个“零宽非断空格”，展示起来也没有任何影响。当然这是我瞎猜的，而且从 Unicode 3.2 开始，U+FEFF 已经专门用来标记字节序，没有其他含义了。
Unicode 标准化
Unicode 中有些特殊的字符，可以由其他不同的特殊字符组合出来。例如 ñ (U+00F1) 和 ñ (U+006E U+0303)。这两个字符在展现和含义上是完全等价的，但其编码却是不同的。为了对这种字符进行比较，就需要在比较前先进行标准化 (Normalization) 处理。
Unicode 定义了四种标准化形式 (Unicode Normalization Form)：
| 分解 | 分解再重组 | |
|---|---|---|
| 标准等价 | NFD (Normalization Form Canonical Decomposition) | NFC (Normalization Form Canonical Composition) |
| 兼容等价 | NFKD (Normalization Form Compatibility Decomposition) | NFKC (Normalization Form Compatibility Composition) |
说明：
- 分解与重组：
- 分解：就是把字符能拆的全拆开，例如：
- 把
ñ(U+00F1) 拆成 U+006E U+0303。
- 把
- 重组：就是把拆开的字符能组的再全组起来，例如：
- 把
ñ(U+006E U+0303) 组合成 U+00F1。
- 把
- 分解：就是把字符能拆的全拆开，例如：
- 标准与兼容：
- 标准等价：就是只有含义和长得完全相同的两个字符才相等，例如：
ñ(U+00F1) 和ñ(U+006E U+0303) 可以相等；- 但
ff(U+FB00) 和ff(U+0066 U+0066) 不能相等。
- 兼容等价：就是只要长得差不多就可以相等了，标准等价的一定也是兼容等价的，例如：
ff(U+FB00) 和ff(U+0066 U+0066) 也可以相等；ñ(U+00F1) 和ñ(U+006E U+0303) 更是可以相等了。
- 标准等价：就是只有含义和长得完全相同的两个字符才相等，例如：
示例：
| 说明 | 显示 | 标准化形式 | 标准化后 |
|---|---|---|---|
| 分解与重组的区别 | ñ | NFD/NFKD | U+006E U+0303 |
| 分解与重组的区别 | ñ | NFC/NFKC | U+00F1 |
| 标准与兼容的区别 | ff | NFD/NFC | U+FB00 |
| 标准与兼容的区别 | ff | NFKD/NFKC | U+0066 U+0066 |
| 标准与兼容的区别 | ff | NFD/NFC/NFKD/NFKC | U+0066 U+0066 |
Unicode 与 UCS
通用字符集 (Universal Character Set, UCS) 和 Unicode 可以理解就是两个组织干的相同的事情，他们都想给世界上的所有字符统一编码。现在他们也都相互兼容，就是说对于同一个字符，UCS 和 Unicode 都会把他们映射成同一个 Code Point，反过来也一样。所以可以把他们当成是一回事。
有一些不同的地方，UCS 的编码空间本来是 0 到 0x7F FF FF FF (32 位，第一位固定为 0)。但因为 UTF-16 代理对的实现方式，只能编码到 0x10 FF FF 范围。所以 UCS 标准也规定了只使用 0x10 FF FF 范围内的编码。
UCS-4 与 UCS，类似于 UTF-32 与 Unicode 的关系。因为 UCS 也规定了只使用 0x10 FF FF 范围内的编码，所以它两实际就是一回事。
UCS-2 与 UCS，类似于 UTF-16 与 Unicode 的关系。但不同的是，UCS-2 是固定两字节的，没有考虑辅助平面。可以把 UCS-2 当做是不支持辅助平面的 UTF-16。
Unicode 与编程语言
编程语言中的 Unicode
因为 Unicode 可以给世界上大部分字符编码，因此大部分编程语言内部，都是使用 Unicode 来处理字符的。例如在 Java 中定义一个字符 char c = '中'，这个字符实际是使用两个字节在内存中存储着他的 UTF-16 编码。所以如果将这个字符强转成整型 int i = (int) c，得到的结果 20013 (0x4E2D)，就是 中 在 Unicode 中的 Code Point 值。
这个说法不完全准确，因为大部分编程语言定义的时候，Unicode 还没有辅助平面，所以一般都是固定的用两个字节来存储一个字符。
在有了辅助平面以后，辅助平面的字符，会被 UTF-16 编码成两个 Code Unit，需要 4 个字节来存储。而编程语言为了兼容性，不太可能将原有的 char 类型长度改为 4 个字节。所以就有可能需要用两个 char 来存储一个实际的字符。而原有的获取字符串长度的 API，实际获取到的是字符串中 Code Unit 的个数，不是实际字符的个数。获取某个位置字符的 API 也是同理，获取到的可能是一对 Code Unit 中的一个。因此需要使用编程语言提供的新的 API 或者通过额外的代码，来正确处理辅助平面的字符。
在编程语言中使用 Unicode
主要涉及以下操作：
这其中最关键的就是字符和 Code Point 之间的转换。因为这里涉及字符集的映射，如果编程语言不支持，我们就要自己外挂编码表才能实现，否则无论如何都是没办法通过枚举实现的。
而有了 Code Point 以后，根据 UTF 系列编码的规则，我们自己也可以通过代码来实现 Code Point 和字节序列的转换。当然如果编程语言内置了相关的 API，那就更方便了。
这里省略了 Code Unit 的概念，因为一般在代码中，不会有这个中间过程，直接就编码成字节序列了。
Java
char 和 String 中可以使用 \uXXXX 来表示一个 Unicode 字符。String 中可以使用两个 \uXXXX 表示一个辅助平面的字符，但 char 中不行，因为一个辅助平面字符需要用两个 char 存储：
char c = '\u4E2D';
String s = "\uD840\uDC21";
String to Code Point count:
int count = "𠀡".codePointCount(0, "𠀡".length());
String/char to CodePoint:
int i1 = Character.codePointAt(new char[] {0xD840, 0xDC21}, 0);
int i2 = "𠀡".codePointAt(0);
Code Point to String/char:
String s = new String(new int[] {0x20021}, 0, 1);
char[] c = Character.toChars(0x20021);
String to byte array:
byte[] bytes = "𠀡".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
Byte array to String:
String s = new String(new byte[] {(byte) 0xF0, (byte) 0xA0, (byte) 0x80, (byte) 0xA1}, StandardCharsets.UTF_8);
Normalize:
String s = Normalizer.normalize("ñ", Normalizer.Form.NFD);
JavaScript
String 中可以使用 \uXXXX 来表示一个 Unicode 字符。对于辅助平面的字符，可以使用 \u{XXXXXX} 来表示：
'\u{20021}'
String to Code Point count:
Array.from('𠀡').length
String to Code Point:
'𠀡'.codePointAt(0).toString(16)
Code Point to String:
String.fromCodePoint(0x20021)
String to byte array:
new TextEncoder().encode('𠀡')
只支持 UTF-8，其他编码方式需要自己写代码根据 Code Point 转换。
Byte array to String:
new TextDecoder('utf-8').decode(new Uint8Array([0xF0, 0xA0, 0x80, 0xA1]))
Normalize:
'ñ'.normalize('NFD')