UTF-8

UTF-8 (Abk. für 8-bit Unicode Transformation Format) ist die verbreitetste Kodierung für Unicode-Zeichen. Damit werden die meisten Alphabete und Schriftzeichensysteme umfasst, die weltweit derzeit genutzt werden, also nicht nur die lateinischen Buchstaben und arabischen Zahlen, sondern zum Beispiel auch die arabische, griechische, kyrillische, koreanische oder thailändische Schrift. Dabei wird jedem Unicode-Zeichen eine speziell kodierte Bytekette von variabler Länge zugeordnet. UTF-8 unterstützt bis zu 4 Byte, auf die sich wie bei allen UTF-Formaten alle 1.114.112 Unicode-Zeichen abbilden lassen.

UTF-8 hat eine zentrale Bedeutung als globale Zeichenkodierung im Internet. Die Internet Engineering Task Force verlangt von allen Internetkommunikationsprotokollen, dass die Zeichenkodierung deklariert wird und dass UTF-8 eine der unterstützten Kodierungen ist. Das Internet Mail Consortium (IMC) empfiehlt , dass alle E-Mail-Programme UTF-8 darstellen und senden können. 2006 wird diese Empfehlung allerdings immer noch nicht universell befolgt.

Normierung

UTF-8 ist von der IETF, dem Unicode Consortium und der ISO gegenwärtig identisch definiert in den Normdokumenten:

• RFC 3629 / STD 63 (2003)
• The Unicode Standard, Version 4.0, §3.9–§3.10 (2003)
• ISO/IEC 10646-1:2000 Annex D (2000)

Diese lösen ältere, teilweise abweichende Definitionen ab, die teilweise noch von älterer Software benutzt werden:

• ISO/IEC 10646-1:1993 Amendment 2 / Annex R (1996)
• The Unicode Standard, Version 2.0, Appendix A (1996)
• RFC 2044 (1996)
• RFC 2279 (1998)
• The Unicode Standard, Version 3.0, §2.3 (2000) und Corrigendum #1: UTF-8 Shortest Form (2000)
• Unicode Standard Annex #27: Unicode 3.1 (2001)

Kodierung

Unicode-Zeichen mit den Werten aus dem Bereich von 0 bis 127 (0 bis 7F hexadezimal) werden in der UTF-8-Kodierung als ein Byte mit dem gleichen Wert wiedergegeben. Insofern sind alle Daten, die ausschließlich echte ASCII-Zeichen verwenden, in beiden Darstellungen identisch.

Unicode-Zeichen größer als 127 werden in der UTF-8-Kodierung zu Byteketten der Länge zwei bis vier kodiert.

Unicode-Bereich	UTF-8-Kodierung	Bemerkungen	Möglichkeiten
0000 0000–0000 007F	0xxxxxxx	In diesem Bereich (128 Zeichen) entspricht UTF-8 genau dem ASCII-Code: Das höchste Bit ist 0, die restliche 7-Bitkombination ist das ASCII-Zeichen.	27	128
0000 0080–0000 07FF	110xxxxx 10xxxxxx	Das erste Byte enthält binär 11xxxxxx, die folgenden Bytes 10xxxxxx; die x stehen für die fortlaufende Bitkombination des Unicode-Zeichens. Die Anzahl der Einsen ausgehend von der höchsten 0 im ersten Byte ist die Anzahl der Bytes für das Zeichen. (In Klammern jeweils die theoretisch maximal möglichen.)	$2^{11}-2^{7}$ ($2^{11}$)	1.920 (2.048)
0000 0800–0000 FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx		216 − 211 [216]	63.488 [65.536]
0001 0000–0010 FFFF [0001 0000–001F FFFF]	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx		220 [221]	1.048.576 [2.097.152]

Der Algorithmus lässt theoretisch mehrere Milliarden Zeichen zu (2⁷ + 2^(1·6+5) + 2^(2·6+4) + 2^(3·6+3) + 2^(4·6+2) + 2^(5·6+1) + 2^(6·6+0) = 70.936.234.112) und ist somit die mächtigste aller UTF-Kodierungen. Der aktuelle RFC beschränkt die Auswahl jedoch auf die durch UTF-16 erreichbaren Zeichen, deren Coderaum in Unicode definiert ist, also von 0 bis 0010 FFFF (1.114.112 Möglichkeiten). Das erste Byte eines UTF-8-kodierten Zeichens nennt man dabei Start-Byte, weitere Bytes nennt man Folgebytes. Startbytes enthalten also die Bitfolge 11xxxxxx oder 0xxxxxxx, Folgebytes immer die Bitfolge 10xxxxxx.

Betrachtet man die Bitfolgen etwas genauer, erkennt man die große Sinnfälligkeit von UTF-8:

• Ist das höchste Bit des ersten Byte 0, handelt es sich um ein gewöhnliches ASCII-Zeichen, da ASCII eine 7-Bit-Kodierung ist und die ersten 128 Zeichen des Unicode die ASCII-Zeichen sind. Damit sind alle ASCII-Dokumente automatisch aufwärtskompatibel zu UTF-8.
• Ist das höchste Bit des ersten Byte 1, handelt es sich um ein Mehrbytezeichen, also ein Unicode-Zeichen mit einer Zeichennummer größer als 127.
• Sind die höchsten beiden Bits des ersten Byte 11, handelt es sich um das Start-Byte eines Mehrbytezeichens, sind sie 10, um ein Folge-Byte.
• Die lexikalische Ordnung nach Byte-Werten entspricht der lexikalischen Ordnung nach Buchstaben-Nummern, da höhere Zeichennummern mit entsprechend mehr 1-Bits im Start-Byte kodiert werden.
• Bei den Start-Bytes von Mehrbyte-Zeichen gibt die Anzahl der höchsten 1-Bits die gesamte Bytezahl des als Mehrbyte-Zeichen kodierten Unicode-Zeichens an. Anders interpretiert, die Anzahl der 1-Bits nach dem höchsten 0-Bit entspricht der Anzahl an Folgebytes plus eins, z. B. 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx = 3 Bits nach dem höchsten 0-Bit = 3 Bytes insgesamt, 2 Bits nach dem höchsten 0-Bit vor dem höchsten 1-Bit = 2 Folgebytes.
• Start-Bytes (0xxx xxxx oder 11xx xxxx) und Folge-Bytes (10xx xxxx) lassen sich eindeutig voneinander unterscheiden. Somit kann ein Byte-Strom auch in der Mitte gelesen werden, ohne dass es Probleme mit der Dekodierung gibt, was insbesondere bei der Wiederherstellung defekter Daten wichtig ist. 10xxxxxx Bytes werden einfach übersprungen, bis ein 0xxxxxxx oder 11xxxxxx Byte gefunden wird. Könnten Start-Bytes und Folge-Bytes nicht eindeutig voneinander unterschieden werden, wäre das Lesen eines UTF-8-Datenstroms, dessen Beginn unbekannt ist, unter Umständen nicht möglich.

Zu beachten:

• Das gleiche Zeichen kann theoretisch auf verschiedene Weise kodiert werden (Zum Beispiel "a" als 01100001 oder fälschlich als 11000001 10100001). Jedoch ist nur die jeweils kürzestmögliche Kodierung erlaubt.
• Bei mehreren Bytes für ein Zeichen werden die Bits rechtsbündig angeordnet – das rechte Bit des Unicode-Zeichens steht also immer im rechten Bit des letzten UTF-8-Bytes.
• Ursprünglich gab es auch Kodierungen mit mehr als 4 Oktetts (bis zu 6), diese sind jedoch ausgeschlossen worden, da es in Unicode keine korrespondierenden Zeichen gibt und ISO 10646 in seinem möglichen Zeichenumfang an Unicode angeglichen wurde.
• Für alle auf dem Lateinischen Alphabet basierenden Schriften ist UTF-8 die platzsparendste Methode zur Abbildung von Unicode-Zeichen.
• Die Unicodebereiche U+D800-U+DBFF und U+DC00-U+DFFF sind ausdrücklich keine Zeichen, sondern dienen nur in UTF-16 zur Kodierung von Zeichen außerhalb der Basic Multilingual Plane, sie wurden früher Low und High surrogates bezeichnet. Folglich sind Byte-Folgen, die diesen Bereichen entsprechen, kein gültiges UTF-8. Z. B. wird U+10400 in UTF-16 als D801,DC00 dargestellt, sollte in UTF-8 aber als F0,90,90,80 und nicht als ED,A0,81,ED,B0,80 ausgedrückt werden. Java unterstützt dies seit der Version 1.5 . Aufgrund der weiten Verbereitung der falschen Kodierung, insbesondere auch in Datenbanken, wurde diese Kodierung eigens als CESU-8 normiert.
• UTF-8, UTF-16 und UTF-32 kodieren alle den vollen Wertebereich von Unicode.

Beispiele für UTF-8 Kodierungen

Zeichen	Unicode	Unicode binär	UTF-8 binär	UTF-8 hexadezimal
Der Buchstabe y	U+0079	00000000 01111001	01111001	0x79
Der Buchstabe ä	U+00E4	00000000 11100100	11000011 10100100	0xC3 0xA4
Das registered-trademark-Zeichen ®	U+00AE	00000000 10101110	11000010 10101110	0xC2 0xAE
Das Euro-Zeichen €	U+20AC	00100000 10101100	11100010 10000010 10101100	0xE2 0x82 0xAC
Der Violinschlüssel 𝄞	U+1D11E	00000001 11010001 00011110	11110000 10011101 10000100 10011110	0xF0 0x9D 0x84 0x9E

Das letzte Beispiel liegt außerhalb des ursprünglich in Unicode (unter Version 2.0) enthaltenen Codebereiches (16 Bit), der in der aktuellen Unicode-Version 4.1.0 als BMP-Bereich (Plane 0) enthalten ist, im SMP-Bereich (Plane 1). Da derzeit viele Schriftarten diese neuen Unicode-Bereiche noch nicht enthalten, können die dort enthaltenen Zeichen auf vielen Plattformen nicht korrekt dargestellt werden. Stattdessen wird ein Ersatzzeichen dargestellt, welches als Platzhalter dient.

Weblinks

Wiktionary: UTF-8 – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Wie UTF-8 ASCII und ISO 8859-1 in der GNU/Linux- und Unix-Welt ersetzen kann
• UTF-8, a transformation format of ISO 10646
• Anmerkungen zur Geschichte von UTF-8
• Ein UTF-8-Beispiel
• Unicode-Datenbank in HTML
• UTF-8-Codetabelle mit Unicode-Zeichen – UTF-8-Kodierung aller Unicode-Positionen mit Zusatzinformationen
• UTF-8 Check mit PHP