UTF-8 là gì? UTF-8 được ứng dụng như thế nào?

Để biểu diễn các ký tự cùng biểu tượng từ những ngôn ngữ và bộ mã khác nhau tại hệ thống máy tính, người ta cần tới UTF-8. Vậy UTF là gì? UTF-8 là gì? 

1. UTF là gì? 

Để hiểu rõ UTF là gì, bạn cần tìm hiểu định nghĩa của bảng mã kí tự, Unicode và Encoding: 

Bảng mã kí tự 

• Bảng mã kí tự còn được gọi là Char code table, là bảng được sử dụng để đánh chỉ số cho một tập ký tự (char), nhằm để mỗi ký tự được ánh xạ từ số duy nhất (code). Trị giá của code được đánh số liên tiếp gia tặng, tạo thứ tự cho từng ký tự trong tập ký tự. 
• Encoding là quá trình chuyển đổi dữ liệu thành định dạng cần thiết cho yêu cầu xử lý thông tin. 
• Unicode là bảng mã chứa gần như là toàn bộ những ký tự của hầu hết các ngôn ngữ trên thế giới, bao gồm cả những ngôn ngữ dùng ký tự tượng hình cho đến tượng thanh. 

Còn UTF là viết tắt của Unicode Transformation Format, có nghĩa là định dạng chuyển đổi Unicode. UTF là một phần của tiêu chuẩn Unicode, được sử dụng để biểu diễn hầu hết các ký tự trong hệ thống Unicode. Như vậy có thể hiểu UTF là một tiêu chuẩn chung để ánh xạ các bảng mã Unicode. UTF xác định cách viết từ mọi địa phương trên toàn cầu và lưu trữ dưới bất kỳ định dạng mã hóa Unicode nào.

Unicode

Các hệ thống mã hóa UTF

Các định dạng UTF cơ bản là: 

• UTF-7 (UTF 7): Sử dụng 7 bit cho mỗi ký tự. UTF 7 được dùng để đại diện cho những ký tự ASCII trong các email yêu cầu mã hóa Unicode. 
• UTF-8 (UTF 8): Sử dụng 1 byte (8 bit) cho mỗi ký tự và ký hiệu bằng tiếng Anh, 2 byte cho các ký tự Latinh và Trung Đông bổ sung, 3 byte cho các ký tự châu Á. Đây là loại mã hóa Unicode phổ biến nhất. 
• Những ký tự bổ sung có thể được biểu diễn bởi 4 byte. UTF-8 tương thích ngược với ASCII do 128 ký tự đầu tiên được ánh xạ tới những giá trị giống nhau. 
• UTF-16 (UTF 16) là một phần mở rộng của bảng mã Unicode “UCS-2” và dùng 2 byte để đại diện cho 65.536 ký tự. UTF-16 cũng hỗ trợ 4 byte cho các ký tự bổ sung lên đến 1 triệu. 
• UTF-32 (UTF32) mã hóa đa byte đại diện cho mỗi ký tự có 4 byte.

2. UTF-8 là gì?

UTF-8 (viết tắt của "Unicode Transformation Format - 8 bit") là một hệ thống mã hóa ký tự phổ biến được sử dụng trong xử lý máy tính. Nó là một phần của chuẩn Unicode, một hệ thống mã hóa ký tự quốc tế được thiết kế để biểu diễn văn bản từ hầu hết các hệ thống viết trên thế giới.

Đặc điểm chính của UTF-8 là nó sử dụng từ 1 đến 4 byte để biểu diễn mỗi ký tự. Điều này cho phép nó mã hóa một lượng lớn các ký tự khác nhau từ nhiều ngôn ngữ và hệ thống ký hiệu, từ những ký tự cơ bản nhất (như bảng chữ cái tiếng Anh) cho đến các ký tự phức tạp hơn (như chữ Hán hoặc ký hiệu toán học).

Một trong những lợi ích chính của UTF-8 là tính tương thích ngược với ASCII, một hệ thống mã hóa ký tự cũ hơn và đơn giản hơn. Ký tự ASCII được biểu diễn bởi một byte trong UTF-8, điều này làm cho UTF-8 trở thành lựa chọn phổ biến trong việc lưu trữ và truyền tải dữ liệu văn bản, đặc biệt là trên Internet. Do khả năng biểu diễn đa dạng các ký tự từ khắp nơi trên thế giới, UTF-8 đã trở thành một tiêu chuẩn quan trọng trong xử lý và lưu trữ văn bản số.

3. Lịch sử ra đời của UTF-8

UTF-8, một định dạng mã hóa ký tự quan trọng trong chuẩn Unicode, có lịch sử ra đời thú vị. Đây là những điểm chính trong lịch sử phát triển của UTF-8:

• Nền Tảng Unicode: Trước khi có UTF-8, vấn đề lớn trong ngành công nghệ thông tin là sự thiếu thống nhất trong việc mã hóa ký tự. Mỗi hệ thống hoặc ngôn ngữ lập trình có thể sử dụng bảng mã riêng, dẫn đến khó khăn trong việc trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống và ngôn ngữ khác nhau. Unicode được tạo ra nhằm mục đích chuẩn hóa mã hóa ký tự trên toàn thế giới.

• Phát Minh UTF-8: UTF-8 được phát triển bởi Ken Thompson và Rob Pike của Bell Labs vào năm 1992. Mục tiêu của họ là tạo ra một hệ thống mã hóa ký tự có khả năng tương thích ngược với ASCII, hệ thống mã hóa ký tự phổ biến lúc bấy giờ, đồng thời cũng có thể biểu diễn toàn bộ các ký tự trong chuẩn Unicode.

• Tính Năng Độc Đáo: Điểm đặc biệt của UTF-8 là nó sử dụng từ 1 đến 4 byte để mã hóa ký tự. Điều này cho phép nó không chỉ tương thích với ASCII mà còn có khả năng biểu diễn một phạm vi rất rộng các ký tự từ khắp nơi trên thế giới, từ các ký tự Latinh cơ bản đến các ký tự phức tạp của các ngôn ngữ khác như Trung Quốc hay Ả Rập.

• Sự Chấp Nhận Rộng Rãi: Sự linh hoạt và tính tương thích của UTF-8 nhanh chóng khiến nó trở thành tiêu chuẩn trong việc biểu diễn văn bản trên Internet. Đến cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000, UTF-8 đã trở thành một trong những phương pháp mã hóa ký tự phổ biến nhất, đặc biệt là trong lĩnh vực phát triển web và lưu trữ dữ liệu.

• Vai Trò Hiện Nay: Ngày nay, UTF-8 được sử dụng rộng rãi không chỉ trên Internet mà còn trong nhiều ứng dụng và hệ điều hành khác nhau, giúp đơn giản hóa việc xử lý và trao đổi dữ liệu văn bản đa ngôn ngữ.

4. Cách hoạt động của UTF-8

UTF-8 sử dụng một hệ thống mã hóa đa dạng và linh hoạt, giúp biểu diễn đa số ký tự và biểu tượng từ nhiều ngôn ngữ trên toàn cầu thông qua việc sử dụng nhiều byte khác nhau. Cơ chế hoạt động cơ bản của UTF-8 được mô tả như sau.

Biểu diễn ký tự ASCII (1 byte)

UTF-8 sẽ xác định liệu ký tự cần mã hóa có nằm trong phạm vi của bảng mã ASCII hay không (đây là các ký tự chung dựa trên bảng chữ cái Latinh). Trong trường hợp ký tự đó là một ký tự ASCII, UTF-8 sẽ sử dụng chỉ 1 byte để biểu diễn nó, với giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 127. Cách thức này bảo đảm rằng UTF-8 tương thích hoàn toàn với hệ thống mã hóa ASCII.

Biểu diễn ký tự không phải ASCII (2-4 byte)

Đối với các ký tự không phải ASCII, UTF-8 sử dụng nhiều byte hơn. Trước hết, UTF-8 xác định số lượng byte cần thiết để biểu diễn ký tự bằng cách kiểm tra giá trị của ký tự trong bảng mã Unicode. Cụ thể:

• Ký tự Unicode từ U+0080 đến U+07FF được biểu diễn bằng 2 byte.
• Ký tự Unicode từ U+0800 đến U+FFFF được biểu diễn bằng 3 byte.
• Ký tự Unicode từ U+10000 đến U+10FFFF được biểu diễn bằng 4 byte.

Tiền tố byte (Header Byte)

Mỗi byte bên ngoài ký tự ASCII (2-4 byte) bắt đầu với một tiền tố byte để chỉ ra số byte được sử dụng cho ký tự này. Tiền tố byte có các bit đặc biệt để xác định số lượng byte và định dạng biểu diễn. Ví dụ:

• Một ký tự 2-byte bắt đầu bằng tiền tố “110xxxxx 10xxxxxx”.
• Một ký tự 3-byte bắt đầu bằng tiền tố “1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx”.
• Một ký tự 4-byte bắt đầu bằng tiền tố “11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx”.

Byte dữ liệu (Continuation Byte)

Các byte tiếp theo sau byte tiền tố trong UTF-8 được biết đến là byte dữ liệu hoặc byte liên tiếp. Đặc điểm nhận biết của những byte này là chúng luôn bắt đầu với chuỗi “10xxxxxx”, giúp phân biệt rõ ràng giữa chúng và byte tiền tố.

Giá trị ký tự (Character Value)

Giá trị thực của ký tự được xác định bằng cách tổng hợp các bit từ các byte dữ liệu. Kết quả của quá trình này sẽ tương ứng với mã Unicode dành cho ký tự đó.

Ánh xạ vào Unicode

UTF-8 chuyển đổi giá trị ký tự đã được tính toán thành mã Unicode tương ứng. Mã Unicode này, một số nguyên độc đáo biểu diễn ký tự, cho phép máy tính và các ứng dụng nhận diện và xử lý ký tự từ đa dạng ngôn ngữ và hệ thống chữ viết.

5. Tầm quan trọng của UTF-8

Hỗ trợ đa ngôn ngữ

UTF-8 được đánh giá cao vì khả năng của nó trong việc biểu diễn ký tự từ đa số ngôn ngữ toàn cầu. Điều này đã khiến UTF-8 trở thành tiêu chuẩn toàn cầu cho việc lưu trữ và trao đổi dữ liệu đa ngôn ngữ trên Internet và trong các ứng dụng quốc tế.

Tương thích với ASCII

UTF-8 được tạo ra với một đặc điểm nổi bật: nó cho phép các ký tự ASCII được biểu diễn chỉ qua một byte, từ đó bảo đảm khả năng tương thích với các hệ thống và ứng dụng hiện đang sử dụng mã hóa ASCII.

Tiết kiệm dung lượng

UTF-8 được thiết kế để biểu diễn ký tự một cách linh hoạt, sử dụng từ 1 đến 4 byte tùy thuộc vào ký tự. Tính năng này giúp tối ưu hóa dung lượng lưu trữ và băng thông mạng, đặc biệt là khi xử lý văn bản tiếng Anh, so với các hệ thống mã hóa sử dụng cùng một số lượng byte cố định cho mọi ký tự.

Độ linh hoạt cao

UTF-8 dễ dàng biểu diễn các biểu tượng, ký tự đặc biệt, và các ngôn ngữ ít phổ biến. Nhờ vào khả năng này, UTF-8 trở thành công cụ hỗ trợ hiệu quả cho các ứng dụng đa ngôn ngữ, trình duyệt web, email và các dự án mang tầm quốc tế.

Quyền sở hữu quốc tế

UTF-8 là một phần của chuẩn Unicode, do một tổ chức quốc tế quản lý, chịu trách nhiệm duy trì và phát triển hệ thống mã hóa ký tự toàn cầu. Đặc điểm này đóng góp vào việc bảo đảm sự ổn định và phát triển không ngừng của UTF-8.

6. So sánh UTF-8 với các hệ thống mã hoá khác

Hệ thống mã hoá

UTF-8, UTF-16 và UTF-32 đều là hệ thống mã hóa ký tự dựa trên Unicode, trong khi ASCII là một bảng mã đơn giản hơn chỉ sử dụng 1 byte cho mỗi ký tự. 

Số lượng byte tối đa

UTF-8, UTF-16 và UTF-32 đều cho phép biểu diễn các ký tự từ 1 đến 4 byte, trong khi ASCII chỉ sử dụng 1 byte cho mỗi ký tự. 

Tiết kiệm dung lượng

UTF-8 là hệ thống mã hóa động, nên tiết kiệm dung lượng lưu trữ và băng thông mạng, nhất là đối với các văn bản tiếng Anh. UTF-16 và UTF-32 sử dụng cố định kích thước byte nên tiêu tốn nhiều dung lượng hơn. 

Tương thích ASCII

UTF-8 được thiết kế sao cho các ký tự ASCII có thể được biểu diễn bằng 1 byte, trong khi UTF-16 và UTF-32 yêu cầu ít nhất 2 byte. ASCII là bảng mã chỉ dùng 1 byte cho mỗi ký tự. 

Phần mềm hỗ trợ phổ biến

UTF-8 có sự hỗ trợ phổ biến trong các ứng dụng và trình duyệt web. UTF-16 thường được sử dụng trong môi trường Windows, trong khi UTF-32 thường được sử dụng trong môi trường Unix-like. 

Hiệu suất

UTF-8 hiệu quả trong việc lưu trữ và truyền tải văn bản đa ngôn ngữ với các ký tự ASCII, trong khi UTF-16 và UTF-32 có kích thước byte cố định và có thể tốn nhiều dung lượng hơn. 

Sử dụng thông thường

UTF-8 là hệ thống mã hóa phổ biến nhất trên internet và trong các ứng dụng đa ngôn ngữ. UTF-16 thường xuất hiện trong môi trường Windows, trong khi UTF-32 thường được sử dụng trong các hệ thống Unix-like và trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. ASCII thường được sử dụng trong những văn bản tiếng Anh và các ứng dụng đơn giản.

7. UTF-8 được sử dụng như thế nào?

UTF được sử dụng để mã hóa cho hầu hết các văn bản trong tài liệu và website. Có nhiều chương trình xử lý văn bản sẽ không cho phép người dùng xem mã hóa ký tự của các tài liệu đang mở, cho dù một số hiển thị mã hóa ở cuối cửa sổ tài liệu hoặc trong thuộc tính tệp.

Trình duyệt Web

Tất cả các trình duyệt web hiện đại đều tích hợp hỗ trợ UTF-8, cho phép hiển thị nội dung các trang web đa ngôn ngữ. Điều này giúp người dùng có thể truy cập và đọc nội dung trên web bằng các ngôn ngữ và hệ thống mã ký tự khác nhau.

Email và truyền thông điện tử

UTF-8 giúp người dùng thuận lợi hơn trong việc gửi và nhận email với nội dung đa ngôn ngữ. Tính năng này tăng cường khả năng tương tác với người dùng từ mọi nơi trên thế giới và đồng thời đảm bảo rằng thông điệp được hiển thị chính xác.

Cơ sở dữ liệu quốc tế

Các Hệ Quản Trị Cơ Sở Dữ liệu (DBMS) nổi tiếng như MySQL, PostgreSQL, và Oracle đều tích hợp hỗ trợ UTF-8, cho phép họ lưu trữ và truy xuất dữ liệu đa ngôn ngữ một cách hiệu quả. Điều này rất quan trọng cho các ứng dụng web và dự án mang tính tương tác quốc tế.

Ứng dụng di động

Các hệ điều hành di động như Android và iOS đã tích hợp hỗ trợ UTF-8, giúp các ứng dụng trên thiết bị di động có khả năng hiển thị và xử lý một loạt ngôn ngữ và biểu tượng đa dạng.

Xử lý văn bản trong lập trình

UTF-8 đã trở thành tiêu chuẩn trong việc xử lý văn bản đa ngôn ngữ trong lập trình. Các ngôn ngữ lập trình phổ biến như Python, Java, C++ và JavaScript đều hỗ trợ UTF-8, cho phép các lập trình viên làm việc hiệu quả với chuỗi ký tự từ đa dạng ngôn ngữ.

Trên đây là định nghĩa của UTF cũng như cách sử dụng. Hy vọng những chia sẻ này giúp các bạn hiểu hơn về sự phức tạp và tính đa dạng để hình thành hệ thống giao tiếp ngôn ngữ tự nhiên trên máy tính.