Base64编码原理解析与Java实现

原文 http://blog.csdn.net/zdqdj1/article/details/51760412

作者： href="http://blog.csdn.net/zdqdj1" target=_blank>SoyaDokio

一、前言

        目前还在找工作，工作日时投投简历面面试，这周末难免就闲来无事了，那就只好看看慕课逛逛CSDN了，正巧看到一个关于Base64的课程《Java实现Base64加密》，点进去看看，完了发觉完全不是我想的那回事儿，人给的实现方式还不唯一，给了3个方法，但都是API，没有实现原理。而鉴于在下喜欢钻牛角尖，于是抱着试试的心态，查了官网RFC2045（下载完整PDF），了解了下相关情况，这才有了本文。

二、Base64是什么

        以下摘自Base64的维基百科：

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       Base64是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。由于2的6次方等于64，所以每6个比特为一个单元，对应某个可打印字符。三个字节有24个比特，对应于4个Base64单元，即3个字节需要用4个可打印字符来表示。它可用来作为电子邮件的传输编码。在Base64中的可打印字符包括字母A-Z、a-z、数字0-9，这样共有62个字符，此外两个可打印符号在不同的系统中而不同。一些如uuencode的其他编码方法，和之后binhex的版本使用不同的64字符集来代表6个二进制数字，但是它们不叫Base64。

       Base64常用于在通常处理文本数据的场合，表示、传输、存储一些二进制数据。包括MIME的email、在XML中存储复杂数据。

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三、规则与原理

      原理

        以下摘自Base64的维基百科：

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        在MIME格式的电子邮件中，base64可以用来将binary的字节序列数据编码成ASCII字符序列构成的文本。使用时，在传输编码方式中指定base64。使用的字符包括大小写字母各26个，加上10个数字，和加号“+”，斜杠“/”，一共64个字符，等号“=”用来作为后缀用途。

        完整的base64定义可见RFC1421和RFC2045。编码后的数据比原始数据略长，为原来的4/3。在电子邮件中，根据RFC822规定，每76个字符，还需要加上一个回车换行。可以估算编码后数据长度大约为原长的135.1%。

        转换的时候，将三个byte的数据，先后放入一个24bit的缓冲区中，先来的byte占高位。数据不足3byte的话，于缓冲器中剩下的bit用0补足。然后，每次取出6（因为2^6=64）个bit，按照其值选择ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/中的字符作为编码后的输出。不断进行，直到全部输入数据转换完成。

        当原数据长度不是3的整数倍时,如果最后剩下一个输入数据，在编码结果后加2个“=”；如果最后剩下两个输入数据，编码结果后加1个“=”；如果没有剩下任何数据，就什么都不要加，这样才可以保证数据还原的正确性。

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       上面提到编码后的数据长度约为原长的135.1%，算式为：1*(4/3)*((76+1)/76)≈1.351

        鉴于很多朋友不爱看大片枯燥文字，在下以个人理解将之总结为以下3点：

        ①将原始数据以先后顺序每3个字节分成一组*。在每一组中，把3个8bit的字节（3*8=24）按高低位顺序分为每段6bit的4段（4*6=24），将每段转为十进制得到0~63之间的数，以之为索引在Base64编码表中对照得到4个密文。重复以上操作。
       *若最后一组不足3个字节，则在其二进制位的低位上用尽量少的“0”补位，使二进制位的个数为6的倍数。

        ②密文每76个字符数据后加一个换行符*。
       *注意这里的换行符指CRLF（\r\n），而不是LF（\n），为什么？请看RFC2045（下载完整PDF）。

        ③若原始数据字节长度除以3余1，则在输出数据末尾加2个“=”，若原始数据长度除以3余2，则在输出数据末尾加1个“=”。

      规则

        1.ASCII编码表：



        2.Base64编码表：

四、实例

        我们还是来看下面这3个例子比较直观（例子下载）。

        例子1、假设我们的明文为“Base64”（数据长度为6，正好是3的倍数），则其编码计算方式如下：



        例子2、假设我们的明文为“test”（数据长度为4，4%3=1），则其编码计算方式如下：



        例子3、假设我们的明文为“JiaMi”（数据长度为5，5%3=2），则其编码计算方式如下：

五、编程思路

        思路什么的，我觉得就不必要写了，代码里注释得很充分了。

六、代码

package com.dokio.base64;

public class Base64 {

//Constructor
public Base64() {

}

private static String base64Code= "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";

public static String encode(String srcStr) {
//有效值检查
if(srcStr == null || srcStr.length() == 0) {
return srcStr;
}
//将明文的ASCII码转为二进制位字串
char[] srcStrCh= srcStr.toCharArray();
StringBuilder asciiBinStrB= new StringBuilder();
String asciiBin= null;
for(int i= 0; i< srcStrCh.length; i++) {
asciiBin= Integer.toBinaryString((int)srcStrCh[i]);
while(asciiBin.length()< 8) {
asciiBin= "0"+ asciiBin;
}
asciiBinStrB.append(asciiBin);
}
//跟据明文长度在二进制位字串尾部补“0”
while(asciiBinStrB.length()% 6!= 0) {
asciiBinStrB.append("0");
}
String asciiBinStr= String.valueOf(asciiBinStrB);
//将上面得到的二进制位字串转为Value，再跟据Base64编码表将之转为Encoding
char[] codeCh= new char[asciiBinStr.length()/ 6];
int index= 0;
for(int i= 0; i< codeCh.length; i++) {
index= Integer.parseInt(asciiBinStr.substring(0, 6), 2);
asciiBinStr= asciiBinStr.substring(6);
codeCh[i]= base64Code.charAt(index);
}
StringBuilder code= new StringBuilder(String.valueOf(codeCh));
//跟据需要在尾部添加“=”
if(srcStr.length()% 3 == 1) {
code.append("==");
} else if(srcStr.length()% 3 == 2) {
code.append("=");
}
//每76个字符加一个回车换行符（CRLF）
int i= 76;
while(i< code.length()) {
code.insert(i, "\r\n");
i+= 76;
}
code.append("\r\n");
return String.valueOf(code);
}

public static String decode(String srcStr) {
//有效值检查
if(srcStr == null || srcStr.length() == 0) {
return srcStr;
}
//检测密文中“=”的个数后将之删除，同时删除换行符
int eqCounter= 0;
if(srcStr.endsWith("==")) {
eqCounter= 2;
} else if(srcStr.endsWith("=")) {
eqCounter= 1;
}
srcStr= srcStr.replaceAll("=", "");
srcStr= srcStr.replaceAll("\r\n", "");
//跟据Base64编码表将密文（Encoding）转为对应Value，然后转为二进制位字串
char[] srcStrCh= srcStr.toCharArray();
StringBuilder indexBinStr= new StringBuilder();
String indexBin= null;
for(int i= 0; i< srcStrCh.length; i++) {
indexBin= Integer.toBinaryString(base64Code.indexOf((int)srcStrCh[i]));
while(indexBin.length()< 6) {
indexBin= "0"+ indexBin;
}
indexBinStr.append(indexBin);
}
//删除因编码而在尾部补位的“0”后得到明文的ASCII码的二进制位字串
if(eqCounter == 1) {
indexBinStr.delete(indexBinStr.length()- 2, indexBinStr.length());
} else if(eqCounter == 2) {
indexBinStr.delete(indexBinStr.length()- 4, indexBinStr.length());
}
String asciiBinStr= String.valueOf(indexBinStr);
//将上面得到的二进制位字串分隔成字节后还原成明文
String asciiBin= null;
char[] ascii= new char[asciiBinStr.length()/ 8];
for(int i= 0; i< ascii.length; i++) {
asciiBin= asciiBinStr.substring(0, 8);
asciiBinStr= asciiBinStr.substring(8);
ascii[i]= (char)Integer.parseInt(asciiBin, 2);
}
return String.valueOf(ascii);
}

public static void main(String[] args) {
System.out.print(encode("I like your long long shadow.It just seems you are unhappy to say goodbye to me."));
System.out.print("\n------\n");
System.out.print(decode("SSBsaWtlIHlvdXIgbG9uZyBsb25nIHNoYWRvdy5JdCBqdXN0IHNlZW1zIHlvdSBhcmUgdW5oYXBweSB0byBzYXkgZ29vZGJ5ZSB0byBtZS4="));
System.out.print("\n------\n");
System.out.print(decode(encode("I like your long long shadow.It just seems you are unhappy to say goodbye to me.")));
}

}