UTF-8

UTF-8（ユーティーエフはち、ユーティーエフエイト）はISO/IEC 10646 (UCS) とUnicodeで使える8ビット符号単位（1–4バイトの可変長）の文字符号化形式および文字符号化スキーム。

正式名称は、ISO/IEC 10646では “UCS Transformation Format 8”、Unicodeでは “Unicode Transformation Format-8” という。両者はISO/IEC 10646とUnicodeのコード重複範囲で互換性がある。RFCにも仕様がある。

2バイト目以降に「/」などのASCII文字が現れないように工夫されていることから、UTF-FSS (File System Safe) ともいわれる。旧名称はUTF-2。

UTF-8は、データ交換方式・ファイル形式として一般的に使われる傾向にある。

当初は、ベル研究所においてPlan 9で用いるエンコードとして、ロブ・パイクによる設計指針のもと、ケン・トンプソンによって考案された。

エンコード体系

ASCII文字と互換性を持たせるために、ASCIIと同じ部分は1バイト、その他の部分を2–6バイトで符号化する。4バイトのシーケンスでは21ビット (0x1FFFFF) まで表現することができるが、Unicodeの範囲外となる17面以降を表すもの（U+10FFFFより大きなもの）は受け付けない。

また、5–6バイトの表現は、ISO/IEC 10646による定義とIETFによるかつての定義で、Unicodeの範囲外を符号化するためにのみ使用するが、Unicodeによる定義とIETFによる最新の定義では、5–6バイトの表現は不正なシーケンスである。

後述のセキュリティの項に詳細はあるが、符号化は最少のバイト数で表現しなければならない。そのため、バイト数ごとにUnicodeの符号位置の最小値（下限）も設けている。

例えば、1バイトで表現するASCII文字は2バイト以上でも表現できるが、バイト数ごとの下限によってこれを回避している。

ビットパターンは以下のようになっている。

バイト数	有効ビット	Unicode		2進数表記				16進数表記
1	07 bit			0xxx-xxxx				00..7F
		下限	U+0000	0000-0000				00
		上限	U+007F	0111-1111				7F
2	11 bit			110y-yyyx	10xx-xxxx			C2..DF	80..BF
		下限	U+0080	1100-0010	1000-0000			C2	80
		上限	U+07FF	1101-1111	1011-1111			DF	BF
3	16 bit			1110-yyyy	10yx-xxxx	10xx-xxxx		E0..EF	80..BF	80..BF
		下限	U+0800	1110-0000	1010-0000	1000-0000		E0	80*	80
		上限	U+FFFF	1110-1111	1011-1111	1011-1111		EF	BF*	BF
4	21 bit			1111-0yyy	10yy-xxxx	10xx-xxxx	10xx-xxxx	F0..F4	80..BF	80..BF	80..BF
		下限	U+10000	1111-0000	1001-0000	1000-0000	1000-0000	F0	80*	80	80
		上限	U+10FFFF	1111-0100	1000-1111	1011-1111	1011-1111	F4	BF*	BF	BF

* 第1バイトがE0のときに第2バイトが80-9Fの範囲を、または同F0のときに80-8Fの範囲を取るものは冗長な符号化となるため許されない。第1バイトがEDのときに第2バイトがA0以上となるものはサロゲートペアのための符号位置にあたり、また同F4のときに90以上となるものはUnicodeの範囲外となるため、UTF-8ではやはり許されない。

Unicodeの符号位置を2進表記したものを、上のビットパターンのx, yに右詰めに格納する（最少のバイト数で表現するため、yの部分には最低1回は1が出現する）。符号化されたバイト列は、バイト順に関わらず左から順に出力する。

1バイト目の先頭の連続するビット "1"（その後にビット "0" が1つ付く）の個数で、その文字のバイト数がわかるようになっている。また、2バイト目以降はビットパターン "10" で始まり、1バイト目と2バイト目以降では値の範囲が重ならないので、文字境界を確実に判定できる。すなわち、任意のバイトの先頭ビットが "0" の場合は1バイト文字、"10" の場合は2バイト以上の文字の2番目以降のバイト、"110" の場合は2バイト文字の先頭バイト、"1110" の場合は3バイト文字の先頭バイト、"11110" の場合は4バイト文字の先頭バイトであると判定できる。

7バイト以上の文字は規定されないため、0xFE, 0xFFは使用されない。このため、バイト順マーク (BOM) に0xFEと0xFFを使用するUTF-16やUTF-32が、UTF-8と混同されることはない。

特徴

利点

• ASCII文字コードのテキストを処理するソフトウェアの多くがそのまま使える。
• バイトストリーム中の任意の位置から、その文字、前の文字、あるいは次の文字の先頭バイトを容易に判定することができる。
• 文字列の検索を単なるバイト列の検索として行っても、文字境界と異なる個所でマッチしてしまうことがない。たとえばShift_JISで「¥」(0x5C) を検索すると「表」(0x95 0x5C) の2バイト目にマッチしたり、EUC-JPで「海」(0xB3 0xA4) を検索すると「ここ」(0xA4 0xB3 0xA4 0xB3) にマッチしたりするのと同様のことが起きない。このため、マルチバイト文字を意識せず、ISO 8859-1などの8ビット文字向けに作られた膨大なプログラム資産を、比較的少ない修正で再利用できる。
  • ただし、他のUnicodeの符号化と同様に、単にバイト列の比較では文字列が同一か判断できない場合がある。詳細は、Unicodeの等価性および正規化を参照のこと。
• UTF-16やUTF-32と異なり、バイト単位の入出力を行うため、バイト順の影響がない。
• 21ビットまで表現できるため、サロゲートペアを使用する必要がない。
• ASCII文字が主体の文書であれば、ほとんどデータサイズを増やさずにUnicodeのメリットを享受できる。UTF-16やUTF-32では、データサイズはほぼ2倍、4倍となる。
• 複数のUTF-8文字列を、単なる符号なし8ビット整数の配列とみなして辞書順ソートした結果は、Unicodeの符号位置の辞書順のソート結果（すなわちUTF-32に変換した後にソートした結果）と等しくなる。これに対して、サロゲートペアを含むUTF-16文字列を符号なし16ビット整数の配列とみなしてソートした結果は、Unicodeの符号位置の辞書順のソート結果と異なりうる。

欠点

• UTF-8による符号化では、漢字や仮名などの表現に3バイトを要する。このように、東アジアの従来文字コードではマルチバイト符号を用いて1文字2バイトで表現されていたデータが、1.5倍かそれ以上のサイズとなる。同様に、ISO/IEC 8859-1では1バイトで表現できた非ASCIIのラテン文字（ウムラウト付きの文字など）も2バイトとなるし、その他のISO/IEC 8859シリーズに属する文字符号ではデータ量がさらに増大しうる。
  • なお、1バイトが9ビットである処理系では、この問題をあまり発生させずに符号化できるはずである。このアイディアに基づいたジョークRFCがRFC 4042 "UTF-9" として2005年のエイプリルフール（4月1日）に公開された。
• 最短ではない符号やサロゲートペアなど、UTF-8の規格外だがチェックを行わないプログラムでは一見正常に扱われるバイト列が存在する。これらのバイト列を入力として受け入れてしまうと、プログラムが予期しない範囲のデータを生成するため、セキュリティ上の脅威となりうる。

サロゲートペアの扱い

UTF-16ではサロゲートペアで表されるような、基本多言語面外の符号位置をUTF-8で表す時は、変換元がUTF-16でサロゲートペアの時には U+D800–U+DBFF, U+DC00–U+DFFF を表すUTF-8にそのまま変換したりはせず、U+10000–U+10FFFF の符号位置にデコードしてから変換する。そのままUTF-8で符号化したような列は不正なUTF-8とされる。

サロゲートペアのままUTF-8と同等の符号化を行う符号化は、CESU-8 (Compatibility Encoding Scheme for UTF-16: 8-Bit) として別途定義されている。実用に供されている例としては、Oracle Databaseのバージョン8以前において、UTF-8として3オクテットまでのオクテット列しか扱えなかったために定義されたものである。本来のUTF-8における4オクテット列の代わりに、サロゲート符号位置を表す3オクテット列のペア（上位が ED A0 80–ED AF BF、下位が ED B0 80–ED BF BF）で表現される。

現在のOracle Databaseでも、CESU-8を「UTF8」として、「普通のUTF-8」を「AL32UTF8」として扱っているため注意を要する。MySQLでも「utf8」を指定した場合は4オクテット列が扱えず、CESU-8相当の符号化を必要とする（4オクテット列対応のUTF-8は「utf8mb4」として別途定義されているが、MySQL 5.5.3以降でないと使用できない）。

また、Javaの一部の内部実装で用いられているModified UTF-8も、サロゲートペアをそのまま残す仕様となっている。ただし、NULL文字をC0 80とエンコードする（これもUTF-8規格外）点で、CESU-8とも異なる実装となっている。

セキュリティ

UTF-8のエンコード体系には冗長性があり、同じ文字を符号化するのに複数の表現が考えられる（例: スラッシュ記号である「/」を 0x2F という1バイトで表現するのではなく、0xC0 0xAF という2バイトもしくはそれより大きなバイト数で表現する）。かつてはそのような表現も許容されていたが、ディレクトリトラバーサルなどの対策として行われる文字列検査を冗長な表現によりすり抜ける手法が知られるようになったため、現在の仕様では最少のバイト数による表現以外は不正なUTF-8シーケンスとみなさなければならない。

ISO/IEC 10646の定義が5バイト以上の表現を許容していることにより、正しくない実装を行ったバグのあるシステムにおいてエンコード時にバッファオーバーフローが発生する可能性も指摘されている。

文字種

B	Unicode	スクリプト	JIS X 0201	JIS X 0208	JIS X 0212	JIS X 0213
1	U+0000–U+007F	ASCII	Roman（円記号・オーバーライン以外）
2	U+0080–U+07FF	ラテン ダイアクリティカル ギリシャ キリル アルメニア ヘブライ アラビア シリア ターナ ンコ	円記号	非漢字の一部	非漢字の一部	非漢字の一部
3	U+0800–U+FFFF	インド系諸文字 句読点 学術記号 絵文字 東アジアの諸文字 全角半角形など	オーバーライン、Kana	残りの全て	残りの全て	大半
4	U+10000–U+10FFFF	古代文字、3に含まれない漢字				第3・第4水準漢字の一部

バイト順マークの使用

UTF-8で符号されたテキストデータはバイト順マーク (BOM) の付加は不要である（エンディアンに関わらず同じ内容になるので）。

しかし、テキストデータがUTF-8で符号化されていることの標識として、データの先頭にEF BB BF（16進。UCSでのバイト順マーク U+FEFFのUTF-8での表現）のシーケンスをBOMとして付加することが許される（推奨はされない）。

• この３バイトは、ZERO WIDTH NON-BREAKING SPACE を表すが、データ先頭ではバイト順マークの機能を持たせている。
• なお、日本の特殊事情として、このシーケンスがある方をUTF-8、ない方を特にUTF-8Nと呼び分けることもあるが、日本以外ではほとんど知られておらず、また公的規格などによる裏付けもない。

プログラム・アプリケションソフトの対応状況の問題

BOM付きには対応しないプログラムは標準的ではある。それらは、BOMを余分なデータとみなすので、問題も生ずる。

例えば、Unix系OSにおける実行可能スクリプトは、ファイル先頭が「#!」から始まるとき、それに続く文字列をインタプリタのコマンドとして認識するが、多くのシステムでは、このシーケンスが存在するとこの機能が働かず実行できない。PHPでは、<?PHPの前に出力されるため、header()関数の実行に失敗する原因となる。HLSLやGLSLのシェーダープログラムコンパイラ（fxcやglslangValidator）はBOMを処理できず、コンパイルエラーとなる。

一方、一部のテキスト処理アプリケーション（テキストエディタなど）ではBOMを前提とした動作をする。同様にこのシーケンスがない場合、UTF-8と認識できないプログラムも存在する。たとえば、Microsoft Excelでは、CSVファイルを開くとき、このシーケンスが付加されていないUTF-8の場合は正常に読み込むことができず文字化けを生ずる。Microsoft Visual C++は既定でBOMなしUTF-8を認識せず、システムロケール設定に応じたマルチバイトエンコーディングとみなすが、Visual C++ 2015以降ではコンパイルオプションを指定することでBOMなしUTF-8を認識することができるようになった。 Windows 10のメモ帳アプリは、2019年の19H1アップデートからBOM無しUTF-8がデフォルトになった。

また、BOMがなくともエンコード自動推定によってUTF-8とShift_JISなどを区別することのできるプログラムもあるが、ASCII部以外の文字が少ない場合に誤認することが多い。

プロトコルが常にUTF-8であることを強制しているものである場合はこのシーケンスを禁止するべきで、この場合ファイル先頭にこのシーケンスが現れると “ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE” と見なされる。逆にプロトコルがそれを保証しない場合このシーケンスは禁止されずファイル先頭のそれはバイト順マークと見なされる。

参考資料

• 用語の日本語表記は原則として「“Unicode Terminology English - Japanese”. Unicode, Inc. 2010年1月1日閲覧。」にならった。
• はせがわようすけ (2009年5月8日). “本当は怖い文字コードの話: 第4回 UTF-8の冗長なエンコード”. 技術評論社. 2014年9月10日閲覧。

関連項目

• 文字コード