最近业务中需要用 Python 写一些脚本。尽管脚本的交互只是命令行 + 日志输出，但是为了让界面友好些，我还是决定用中文输出日志信息。
遇到了异常：
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)
为了解决问题，研究了一下 Python 的字符编码处理。网上也有不少文章讲 Python 的字符编码，但是看过一遍，觉得自己可以讲得更明白些。
下面先复述一下 Python 字符串的基础，熟悉此内容的可以跳过。
1.引入
对应 C/C++ 的 char 和 wchar_t, Python 也有两种字符串类型，str 与 unicode：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: example1.py
import string
# 这个是 str 的字符串
s = '关关雎鸠'
# 这个是 unicode 的字符串
u = u'关关雎鸠'
print isinstance(s, str) # True
print isinstance(u, unicode) # True
print s.__class__ # <type 'str'>
print u.__class__ # <type 'unicode'>
前面的申明：# -*- coding: utf-8 -*- 表明，上面的 Python 代码由 utf-8 编码。
为了保证输出不会在 linux 终端上显示乱码，需要设置好 linux 的环境变量：export LANG=en_US.UTF-8
如果你和我一样是使用 SecureCRT，请设置 Session Options/Terminal/Appearance/Character Encoding 为 UTF-8 ，保证能够正确的解码 linux 终端的输出。
两个 Python 字符串类型间可以用 encode / decode 方法转换：
# 从 str 转换成 unicode
print s.decode('utf-8') # 关关雎鸠
# 从 unicode 转换成 str
print u.encode('utf-8') # 关关雎鸠
为什么从 unicode 转 str 是 encode，而反过来叫 decode?
因为 Python 认为 16 位的 unicode 才是字符的唯一内码，而大家常用的字符集如 gb2312，gb18030/gbk，utf-8，以及 ascii 都是字符的二进制（字节）编码形式。把字符从 unicode 转换成二进制编码，当然是要 encode。
反过来，在 Python 中出现的 str 都是用字符集编码的 ansi 字符串。Python 本身并不知道 str 的编码，需要由开发者指定正确的字符集 decode。
(补充一句，其实 Python 是可以知道 str 编码的。因为我们在代码前面申明了 # -*- coding: utf-8 -*-，这表明代码中的 str 都是用 utf-8 编码的，我不知道 Python 为什么不这样做。)
如果用错误的字符集来 encode/decode 会怎样？
# 用 ascii 编码含中文的 unicode 字符串
u.encode('ascii') # 错误，因为中文无法用 ascii 字符集编码
# UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)
# 用 gbk 编码含中文的 unicode 字符串
u.encode('gbk') # 正确，因为 '关关雎鸠' 可以用中文 gbk 字符集表示
# '\xb9\xd8\xb9\xd8\xf6\xc2\xf0\xaf'
# 直接 print 上面的 str 会显示乱码，修改环境变量为 zh_CN.GBK 可以看到结果是对的
# 用 ascii 解码 utf-8 字符串
s.decode('ascii') # 错误，中文 utf-8 字符无法用 ascii 解码
# UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)
# 用 gbk 解码 utf-8 字符串
s.decode('gbk') # 不出错，但是用 gbk 解码 utf-8 字符流的结果，显然只是乱码
# u'\u934f\u51b2\u53e7\u95c6\u5ea8\u7b2d'
这就遇到了我在本文开头贴出的异常：UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)
现在我们知道了这是个字符串编码异常。接下来, 为什么 Python 这么容易出现字符串编/解码异常？
这要提到处理 Python 编码时容易遇到的两个陷阱。第一个是有关字符串连接的：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: example2.py
# 这个是 str 的字符串
s = '关关雎鸠'
# 这个是 unicode 的字符串
u = u'关关雎鸠'
s + u # 失败，UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)
简单的字符串连接也会出现解码错误？
陷阱一：在进行同时包含 str 与 unicode 的运算时，Python 一律都把 str 转换成 unicode 再运算，当然，运算结果也都是 unicode。
由于 Python 事先并不知道 str 的编码，它只能使用 sys.getdefaultencoding() 编码去 decode。在我的印象里，sys.getdefaultencoding() 的值总是 'ascii' ——显然，如果需要转换的 str 有中文，一定会出现错误。
除了字符串连接，% 运算的结果也是一样的：
# 正确，所有的字符串都是 str, 不需要 decode
"中文：%s" % s # 中文：关关雎鸠
# 失败，相当于运行："中文：%s".decode('ascii') % u
"中文：%s" % u # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)
# 正确，所有字符串都是 unicode, 不需要 decode
u"中文：%s" % u # 中文：关关雎鸠
# 失败，相当于运行：u"中文：%s" % s.decode('ascii')
u"中文：%s" % s # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)
我不理解为什么 sys.getdefaultencoding() 与环境变量 $LANG 全无关系。如果 Python 用 $LANG 设置 sys.getdefaultencoding() 的值，那么至少开发者遇到 UnicodeDecodeError 的几率会降低 50%。
另外，就像前面说的，我也怀疑为什么 Python 在这里不参考 # -*- coding: utf-8 -*- ，因为 Python 在运行前总是会检查你的代码，这保证了代码里定义的 str 一定是 utf-8 。
对于这个问题，我的唯一建议是在代码里的中文字符串前写上 u。另外，在 Python 3 已经取消了 str，让所有的字符串都是 unicode ——这也许是个正确的决定。
其实，sys.getdefaultencoding() 的值是可以用“后门”方式修改的，我不是特别推荐这个解决方案，但是还是贴一下，因为后面有用：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: example3.py
import sys
# 这个是 str 的字符串
s = '关关雎鸠'
# 这个是 unicode 的字符串
u = u'关关雎鸠'
# 使得 sys.getdefaultencoding() 的值为 'utf-8'
reload(sys) # reload 才能调用 setdefaultencoding 方法
sys.setdefaultencoding('utf-8') # 设置 'utf-8'
# 没问题
s + u # u'\u5173\u5173\u96ce\u9e20\u5173\u5173\u96ce\u9e20'
# 同样没问题
"中文：%s" % u # u'\u4e2d\u6587\uff1a\u5173\u5173\u96ce\u9e20'
# 还是没问题
u"中文：%s" % s # u'\u4e2d\u6587\uff1a\u5173\u5173\u96ce\u9e20'
可以看到，问题魔术般的解决了。但是注意！ sys.setdefaultencoding() 的效果是全局的，如果你的代码由几个不同编码的 Python 文件组成，用这种方法只是按下了葫芦浮起了瓢，让问题变得复杂。
另一个陷阱是有关标准输出的。
刚刚怎么来着？我一直说要设置正确的 linux $LANG 环境变量。那么，设置错误的 $LANG，比如 zh_CN.GBK 会怎样？（避免终端的影响，请把 SecureCRT 也设置成相同的字符集。）
显然会是乱码，但是不是所有输出都是乱码。
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: example4.py
import string
# 这个是 str 的字符串
s = '关关雎鸠'
# 这个是 unicode 的字符串
u = u'关关雎鸠'
# 输出 str 字符串, 显示是乱码
print s # 鍏冲叧闆庨笭
# 输出 unicode 字符串，显示正确
print u # 关关雎鸠
为什么是 unicode 而不是 str 的字符显示是正确的？ 首先我们需要了解 print。与所有语言一样，这个 Python 命令实际上是把字符打印到标准输出流 —— sys.stdout。而 Python 在这里变了个魔术，它会按照 sys.stdout.encoding 来给 unicode 编码，而把 str 直接输出，扔给操作系统去解决。
这也是为什么要设置 linux $LANG 环境变量与 SecureCRT 一致，否则这些字符会被 SecureCRT 再转换一次，才会交给桌面的 Windows 系统用编码 CP936 或者说 GBK 来显示。
通常情况，sys.stdout.encoding 的值与 linux $LANG 环境变量保持一致：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: example5.py
import sys
# 检查标准输出流的编码
print sys.stdout.encoding # 设置 $LANG = zh_CN.GBK， 输出 GBK
# 设置 $LANG = en_US.UTF-8，输出 UTF-8
# 这个是 unicode 的字符串
u = u'关关雎鸠'
# 输出 unicode 字符串，显示正确
print u # 关关雎鸠
但是，这里有 陷阱二：一旦你的 Python 代码是用管道 / 子进程方式运行，sys.stdout.encoding 就会失效，让你重新遇到 UnicodeEncodeError。
比如，用管道方式运行上面的 example4.py 代码：
python -u example5.py | more
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)
None
可以看到，第一：sys.stdout.encoding 的值变成了 None；第二：Python 在 print 时会尝试用 ascii 去编码 unicode.
由于 ascii 字符集不能用来表示中文字符，这里当然会编码失败。
怎么解决这个问题？ 不知道别人是怎么搞定的，总之我用了一个丑陋的办法：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: example6.py
import os
import sys
import codecs
# 无论如何，请用 linux 系统的当前字符集输出：
if sys.stdout.encoding is None:
enc = os.environ['LANG'].split('.')[1]
sys.stdout = codecs.getwriter(enc)(sys.stdout) # 替换 sys.stdout
# 这个是 unicode 的字符串
u = u'关关雎鸠'
# 输出 unicode 字符串，显示正确
print u # 关关雎鸠
这个方法仍然有个副作用：直接输出中文 str 会失败，因为 codecs 模块的 writer 与 sys.stdout 的行为相反，它会把所有的 str 用 sys.getdefaultencoding() 的字符集转换成 unicode 输出。
# 这个是 str 的字符串
s = '关关雎鸠'
# 输出 str 字符串, 异常
print s # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)
显然，sys.getdefaultencoding() 的值是 'ascii', 编码失败。
解决办法就像 example3.py 里说的，你要么给 str 加上 u 申明成 unicode，要么通过“后门”去修改 sys.getdefaultencoding()：
# 使得 sys.getdefaultencoding() 的值为 'utf-8'
reload(sys) # reload 才能调用 setdefaultencoding 方法
sys.setdefaultencoding('utf-8') # 设置 'utf-8'
# 这个是 str 的字符串
s = '关关雎鸠'
# 输出 str 字符串, OK
print s # 关关雎鸠
总而言之，在 Python 2 下进行中文输入输出是个危机四伏的事，特别是在你的代码里混合使用 str 与 unicode 时。
有些模块，例如 json，会直接返回 unicode 类型的字符串，让你的 % 运算需要进行字符解码而失败。而有些会直接返回 str, 你需要知道它们的真实编码，特别是在 print 的时候。
为了避免一些陷阱，上文中说过，最好的办法就是在 Python 代码里永远使用 u 定义中文字符串。另外，如果你的代码需要用管道 / 子进程方式运行，则需要用到 example6.py 里的技巧。
2.python 自动解编码机制导致报错
1.string 和 unicode 对象合并
>>> s + u''
Traceback (most recent call last):
File "<input>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128)
>>>
2.列表合并
>>> as_list = [u, s]
>>> ''.join(as_list)
Traceback (most recent call last):
File "<input>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128)
3.格式化字符串
>>> '%s-%s'%(s,u)
Traceback (most recent call last):
File "<input>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe4 in position 0: ordinal not in range(128)
>>>
4.打印 unicode 对象
#test.py
# -*- coding: utf-8 -*-
u = u'中文'
print u
#outpt
Traceback (most recent call last):
File "/Users/zhyq0826/workspace/zhyq0826/blog-code/p20161030_python_encoding/uni.py", line 3, in <module>
print u
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128)
5.输出到文件
>>> f = open('text.txt','w')
>>> f.write(u)
Traceback (most recent call last):
File "<input>", line 1, in <module>
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-1: ordinal not in range(128)
>>>
1，2，3 的例子中，python 自动用 ascii 把 string 解码为 unicode 对象然后再进行相应操作，所以都是 decode 错误， 4 和 5 python 自动用 ascii 把 unicode 对象编码为字符串然后输出，所以都是 encode 错误。
只要涉及到 unicode 对象和 string 的转换以及 unicode 对象输出、输入的地方可能都会触发 python 自动进行解码/编码，比如写入数据库、写入到文件、读取 socket 等等。
到此，这两个异常产生的真正原因了基本已经清楚了: unicode 对象需要编码为相应的 string(字符串)才可以存储、传输、打印，字符串需要解码为对应的 unicode 对象才能完成 unicode 对象的各种操作，len、find 等。
string.decode('utf-8') --> unicode
unicode.encode('utf-8') --> string
3.如何避免这些的错误
1.理解编码或解码的转换方向
无论何时发生编码错误，首先要理解编码方向，然后再针对性解决。
2.设置默认编码为 utf-8
在文件头写入
# -*- coding: utf-8 -*-
python 会查找: coding: name or coding=name，并设置文件编码格式为 name，此方式是告诉 python 默认编码不再是 ascii ，而是要使用声明的编码格式。
3.输入对象尽早解码为 unicode，输出对象尽早编码为字节流
无论何时有字节流输入，都需要尽早解码为 unicode 对象。任何时候想要把 unicode 对象写入到文件、数据库、socket 等外界程序，都需要进行编码。
4.使用 codecs 模块来处理输入输出 unicode 对象
codecs 模块可以自动的完成解编码的工作。
>>> import codecs
>>> f = codecs.open('text.txt', 'w', 'utf-8')
>>> f.write(u)
>>> f.close()
参考链接
python2.7 的中文编码处理，解决UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode character 问题
