📊 Unicode 字符串转 UTF-8 编码算法剖析

——从 C# char 到 C++ wchar_t 的编码转换原理

引用：UTF-8 编解码可视化分析

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🔍 1. 算法功能概述

该函数将 Unicode 字符串（C# string）转换为 UTF-8 编码的字节数组，同时输出有效字节数 count。
核心流程：

1. 计算 UTF-8 编码所需字节数
2. 分配缓冲区（额外预留 3 字节）
3. 逐字符编码为 UTF-8 字节序列

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🧠 2. 算法原理与 UTF-8 编码规则

UTF-8 是变长编码，规则如下：

Unicode 码点范围	UTF-8 字节序列结构	字节数	位模式图示
U+0000 ~ U+007F	0xxxxxxx	1	[0xxx xxxx]
U+0080 ~ U+07FF	110xxxxx 10xxxxxx	2	[110x xxxx] [10xx xxxx]
U+0800 ~ U+FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx	3	[1110 xxxx] [10xx xxxx] [10xx xxxx]

💡 注：C# char 为 16 位 Unicode，C++ wchar_t 在 Windows 中与之等价（Linux 为 32 位）。

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🔄 3. 算法流程详解

步骤 1：计算 UTF-8 字节数

int k = 0;
while (i < s.Length) {char ch = s[i++];if (ch < 0x80) k++;        // ASCII 字符（1 字节）else if (ch < 0x800) k += 2; // 2 字节字符else if (ch < 0x10000) k += 3; // 3 字节字符（含 CJK 字符）
}
count = k; // 输出有效字节数

• 时间复杂度：O(n)，需遍历整个字符串。

步骤 2：分配缓冲区

buf = new byte[count + 3]; // 额外分配 3 字节（安全填充）

• 为什么 +3？
  预留空间防止溢出（UTF-8 单字符最多占 3 字节），确保写入安全。

步骤 3：编码转换（核心）

fixed (byte* p = buf) { // 固定内存地址（避免 GC 移动）while (i < s.Length) {char ch = s[i++];// 1 字节编码（ASCII）if (ch < 0x80) p[k++] = (byte)(ch & 0xFF); // 2 字节编码（拉丁字母扩展）else if (ch < 0x800) {p[k++] = (byte)(((ch >> 6) & 0x1F) | 0xC0); // 110xxxxxp[k++] = (byte)((ch & 0x3F) | 0x80);        // 10xxxxxx}// 3 字节编码（中/日/韩文字符）else if (ch < 0x10000) {p[k++] = (byte)(((ch >> 12) & 0x0F) | 0xE0); // 1110xxxxp[k++] = (byte)(((ch >> 6) & 0x3F) | 0x80); // 10xxxxxxp[k++] = (byte)((ch & 0x3F) | 0x80);         // 10xxxxxx}}
}

• 位操作解析：

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⚠️ 4. 算法局限性

• 不支持代理对（Surrogate Pairs）：
  无法处理 U+10000 以上的字符（如 emoji 𠮷），需补充 4 字节编码逻辑。
• 缓冲区浪费：多分配 3 字节（可通过精确计算优化）。

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📝 5. 完整代码（含逐行注释）

public static byte[] GetUTF8StringBuffer(string s, out int count)
{count = 0; // 初始化输出参数if (s == null){throw new ArgumentNullException("s"); // 空字符串检查}byte[] buf = null; // 存储结果的字节数组int k = 0;         // 临时计数器（字节数/写入位置）int i = 0;         // 字符串遍历索引// === 步骤 1：计算 UTF-8 编码所需字节数 ===while (i < s.Length){char ch = s[i++]; // 逐个读取字符if (ch < 0x80)    // ASCII 字符（0x00 ~ 0x7F）{k++;          // 占 1 字节}else if (ch < 0x800) // 0x80 ~ 0x7FF（拉丁字母扩展）{k += 2;       // 占 2 字节}else if (ch < 0x10000) // 0x800 ~ 0xFFFF（CJK 字符等）{k += 3;       // 占 3 字节}}// === 步骤 2：分配缓冲区（额外 +3 字节） ===buf = new byte[(count = k) + 3]; // count 赋值为 k，总长度 = k+3// === 步骤 3：编码转换（不安全代码块） ===unsafe // 启用不安全代码{fixed (byte* p = buf) // 固定缓冲区内存地址{i = 0; // 重置字符串索引k = 0; // 重置字节数组索引while (i < s.Length){char ch = s[i++]; // 读取下一个字符// --- 1 字节编码 ---if (ch < 0x80){p[k++] = (byte)(ch & 0xFF); // 直接存储低 8 位}// --- 2 字节编码 ---else if (ch < 0x800){// 构造首字节：110xxxxx (0xC0 | 高 5 位)p[k++] = (byte)(((ch >> 6) & 0x1F) | 0xC0);// 构造次字节：10xxxxxx (0x80 | 低 6 位)p[k++] = (byte)((ch & 0x3F) | 0x80);}// --- 3 字节编码 ---else if (ch < 0x10000){// 构造首字节：1110xxxx (0xE0 | 高 4 位)p[k++] = (byte)(((ch >> 12) & 0x0F) | 0xE0);// 构造次字节：10xxxxxx (0x80 | 中 6 位)p[k++] = (byte)(((ch >> 6) & 0x3F) | 0x80);// 构造尾字节：10xxxxxx (0x80 | 低 6 位)p[k++] = (byte)((ch & 0x3F) | 0x80);}}}}return buf; // 返回 UTF-8 字节数组
}

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🎯 6. 总结

• 核心价值：高效实现 Unicode 到 UTF-8 的转换，适用于网络传输或跨语言交互。
• 优化方向：
  1. 支持 4 字节编码（代理对）
  2. 移除多余缓冲区分配
  3. 使用 Span<byte> 提升性能