[Python知识库]Python Unicode实战

??首先说明一下，本文代码以Python3版本为主（暂时不考虑和Python2的代码兼容）。

1. 各种编码的简要发展史

??最早的ASCII使用8位二进制(字节)来对字符进行编码，其中8位二进制可以表示2^8=256个字符。其中0~127用来表示英文字母、数字、控制字符等符号，可详见链接：https://ttssh2.osdn.jp/manual/4/en/macro/appendixes/ascii.html。这样一来，英文在计算机中的表示和存储就迎刃而解了。与此同时，128~255也暂时闲置下来了。

??随着计算机的逐渐发展，其他国家也需要将本国的语言在计算机中进行表示。部分国家使用128~255进行字母和符号进行表示。但是对于中文来说，剩余的256个位置根本无法表示汉字。既然一个字节无法表示中文，那么就用两个来表示吧。为了兼容原有的字符，所以当单个字节小于128时，就表示原有字符。当连续两个字节都大于128，具体来说是高字节位于区间[0xA1,0xF7]时，低字节位于区间[0xA1, 0xFE]时，就表示一个汉字。上述编码也就是GB2312，具体可参考链接：https://www.wikiwand.com/zh-hans/GB_2312。

??但是GB2312也无法表示全部的汉字，所以将高低字节的范围都进行了扩展，高字节的范围区间修改为了[81, FE]，而低字节的范围区间修改为了[40, 7E]和[80, FE]。这种编码也就是GBK。具体可参考链接：https://www.wikiwand.com/zh-hans/GBK。

??与此同时，其他国家也为自己国家的语言设计了相应的编码。但结果导致除了英文以外，各国语言的编码都无法进行兼容。国际标谁化组织(ISO)意识到问题的严重性，设计了一种包含所有国家语言单元的编码，也就是Unicode。考虑到性能和资源的平衡，最终使用两个字节来表示字符，由于2^16=65535，所以可以基本上涵盖绝大多数语言的字符单元。相比于之前的单双字节并存的编码方式，双字节是如何对原有单字节对应的字符进行表示呢？其实很简单，添加全0作为高字节，原有单字节作为低字节。但这样一来，英文字符就得用两个字节来进行表示，就会造成资源的浪费。举例来说，It’s 日报对应的Unicode编码如下所示：

I 00000000 01001001
t 00000000 01110100
' 00000000 00100111
s 00000000 01110011
  00000000 00100000
日 01100101 11100101
报 01100010 10100101

??那么能否依然使用单字节表示英文字符，从而节省资源呢。UTF-8就应运而生，UTF-8的设计思想如下所示：

1. 单字节的字符，字节的第一位设为0，对于英语文本，UTF-8码只占用一个字节，和ASCII码完全相同；
2. n个字节的字符(n>1)，第一个字节的前n位设为1，第n+1位设为0，后面字节的前两位都设为10，这n个字节的其余空位填充该字符unicode码，高位用0补足。这样就形成了如下的UTF-8标记位：

0xxxxxxx
110xxxxx 10xxxxxx
1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx... ...

所以It’s 日报的编码就变成了：

I 01001001
t 01110100
' 00100111
s 01110011
  00100000
日 11100110 10010111 10100101
报 11100110 10001010 10100101

??和上边的方案对比一下，英文短了，每个中文字符却多用了一个字节。但是整个字符串只用了11个字节，比上边的14个字节短了一些。所以对于字符串来说，更多的使用的是UTF-8编码。

2. Python Unicode实战

2.1 操作单个字符

2.1.1 判断单个字符所属类型

??对单个字符进行处理，最常用的函数为unicodedata.category()。将部分常用的返回类型列举如下：

• [Cc] Other, Control

• [Cf] Other, Format

• [Pc] Punctuation, Connector

• [Pd] Punctuation, Dash

• [Pe] Punctuation, Close

• [Pf] Punctuation, Final quote (may behave like Ps or Pe depending on usage)

• [Pi] Punctuation, Initial quote (may behave like Ps or Pe depending on usage)

• [Po] Punctuation, Other

• [Ps] Punctuation, Open

• [Mn] Mark, Nonspacing

• [Zs] Separator, Space

其他类型可详见链接：https://www.wikiwand.com/en/Unicode_character_property。

2.1.2 判断单个字符是否属于中文

def is_chinese_char(cp):
    """Checks whether CP is the codepoint of a CJK character."""
    # This defines a "chinese character" as anything in the CJK Unicode block:
    #   https://en.wikipedia.org/wiki/CJK_Unified_Ideographs_(Unicode_block)
    #
    # Note that the CJK Unicode block is NOT all Japanese and Korean characters,
    # despite its name. The modern Korean Hangul alphabet is a different block,
    # as is Japanese Hiragana and Katakana. Those alphabets are used to write
    # space-separated words, so they are not treated specially and handled
    # like the all of the other languages.
    if ((cp >= 0x4E00 and cp <= 0x9FFF) or  #
        (cp >= 0x3400 and cp <= 0x4DBF) or  #
        (cp >= 0x20000 and cp <= 0x2A6DF) or  #
        (cp >= 0x2A700 and cp <= 0x2B73F) or  #
        (cp >= 0x2B740 and cp <= 0x2B81F) or  #
        (cp >= 0x2B820 and cp <= 0x2CEAF) or
        (cp >= 0xF900 and cp <= 0xFAFF) or  #
        (cp >= 0x2F800 and cp <= 0x2FA1F)):  #
      return True

    return False

2.1.3 判断是否是空白符

??如果不考虑Unicode编码的话，空白符即为\r、\t、\n和空格。

def is_whitespace(char):
    """Checks whether `chars` is a whitespace character."""
    # \t, \n, and \r are technically contorl characters but we treat them
    # as whitespace since they are generally considered as such.
    if char == " " or char == "\t" or char == "\n" or char == "\r":
        return True
    cat = unicodedata.category(char)
    if cat == "Zs":
        return True
    return False

2.1.4 判断是否是控制符

??Unicode中除了空格以外的空白符均认为是控制符，具体如下所示：

import unicodedata
print(unicodedata.category('\r'))
print(unicodedata.category('\t'))
print(unicodedata.category('\n'))

??所以正确的处理逻辑是先判断是否为空白符（不包含空格），然后再通过unicodedata判断是否为控制符。

def _is_control(char):
    """Checks whether `chars` is a control character."""
    # These are technically control characters but we count them as whitespace
    # characters.
    if char == "\t" or char == "\n" or char == "\r":
        return False
    cat = unicodedata.category(char)
    if cat in ("Cc", "Cf"):
        return True
    return False

2.1.5 是否为标点符号

??如果不考虑unicode编码，则只需保留第一个分支：

def is_punctuation(char):
    """Checks whether `chars` is a punctuation character."""
    cp = ord(char)
    # We treat all non-letter/number ASCII as punctuation.
    # Characters such as "^", "$", and "`" are not in the Unicode
    # Punctuation class but we treat them as punctuation anyways, for
    # consistency.
    if ((cp >= 33 and cp <= 47) or (cp >= 58 and cp <= 64) or
            (cp >= 91 and cp <= 96) or (cp >= 123 and cp <= 126)):
        return True
    cat = unicodedata.category(char)
    if cat.startswith("P"):
        return True
    return False

2.2 字符串处理

2.2.1 将文本转换成Unicode

??在Python3中，字符串的默认编码方式均为UTF-8。

def convert_to_unicode(text):
    """Converts `text` to Unicode (if it's not already), assuming utf-8 input."""
        if isinstance(text, str):
            return text
        elif isinstance(text, bytes):
            return text.decode("utf-8", "ignore")
        else:
            raise ValueError("Unsupported string type: %s" % (type(text)))

2.2.2 清理文本中的无效字符

??除了清理无效字符以外，顺便把所有空白符转换成了空格。

def clean_text(text):
    """Performs invalid character removal and whitespace cleanup on text."""
    output = []
    for char in text:
        cp = ord(char)
        if cp == 0 or cp == 0xfffd or is_control(char):
            continue
        if is_whitespace(char):
            output.append(" ")
        else:
            output.append(char)
    return "".join(output)

2.2.3 清理文本中的重音符号

 def strip_accents(text):
    """Strips accents from a piece of text."""
    text = unicodedata.normalize("NFD", text)
    output = []
    for char in text:
        cat = unicodedata.category(char)
        if cat == "Mn":
            continue
        output.append(char)
    return "".join(output)

2.2.4 将字符串中的文本和标点符号进行划分

??有时候需要把字符串中的标点符号单独划分处理，从而输入一个字符串得到多个字符串构成的列表，使用下列函数即可达到如此效果：

def split_on_punc(text):
    """Splits punctuation on a piece of text."""
    chars = list(text)
    i = 0
    start_new_word = True
    output = []
    while i < len(chars):
        char = chars[i]
        if is_punctuation(char):
            output.append([char])
            start_new_word = True
        else:
            if start_new_word:
                output.append([])
            start_new_word = False
            output[-1].append(char)
        i += 1

    return ["".join(x) for x in output]

2.2.5 对文本进行分词

def tokenize(text):
    """Tokenizes a piece of text."""
    text = convert_to_unicode(text)
    text = clean_text(text)
    text = tokenize_chinese_chars(text)

    orig_tokens = whitespace_tokenize(text)# str to list of str
    split_tokens = []
    for token in orig_tokens:# get str of list of str
        if self.do_lower_case:
            token = token.lower()
            token = strip_accents(token)
        split_tokens.extend(split_on_punc(token))# list of str

    output_tokens = whitespace_tokenize(" ".join(split_tokens))# list of str
    return output_tokens

??留个小疑问，为什么在orig_tokens = whitespace_tokenize(text)后又进行了output_tokens = whitespace_tokenize(" ".join(split_tokens))，也就是whitespace_tokenize执行两次的意义是在哪里呢？