文章目录
- Base64编码概述
- Base64原理
- 索引表
- 如何转换？
- Java实操
- Java代码实现Base64
- 参考文章
Base64编码概述
百度百科中对Base64有一个很好的解释：“Base64是网络上最常见的用于传输8Bit字节码的编码方式之一，Base64就是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法”。它实际上是一种“二进制转换到文本”的编码方式。
什么是“可打印字符”呢？为什么要用它来传输8Bit字节码呢？在回答这两个问题之前我们有必要来思考一下什么情况下需要使用到Base64？Base64一般用于在HTTP协议下传输二进制数据，由于HTTP协议是文本协议，所以在HTTP协议下传输二进制数据需要将二进制数据转换为字符数据。然而直接转换是不行的。因为网络传输只能传输可打印字符。什么是可打印字符？在ASCII码中规定，0-31和127这33个字符属于控制字符，32-126这95个字符属于可打印字符，也就是说网络传输只能传输这95个字符，不在这个范围内的字符无法传输。那么该怎么才能传输其他字符呢？其中一种方式就是使用Base64。
（1）base64编码：把二进制数据转为字符
（2）base64解码：把字符转为二进制数据
其实Base64就是将ASCII码表的不可打印字符转换为可打印字符，进行字符传输，解码的时候也根据相同的协议进行解码，就可以得到与原来完全相同的结果了，使得不可打印字符也能传输。
Base64原理
索引表
在不同的实现中，Base64算法中由64个字符组成的字符集是不一样的。但是通常的实现方法是选择64个通用且能打印的字符来组成这样一个集合。且要保证这个集合中的每个字符组成的数据在数据传输系统中不会被修改。
如下图Base64编码索引表，字符选用了“A-Z 、 a-z 、 0-9、+、 / ”64个可打印字符。数字代表字符索引，这个是标准Base64标准协议规定的，不能更改。64个字节用6个bit位就可以全部表示。这里注意一个Base64字符是8个bit，但有效部分只有右边6个bit，左边两个永远是0。
标准的Base64并不适合直接放在URL里传输，因为URL编码器会把标准Base64中的“/”和“+”字符变为形如“%XX”的形式，而这些“%”号在存入数据库时还需要再进行转换，因为ANSI SQL中已将“%”号用作通配符,一种用于URL的改进Base64编码，它在末尾填充’='号，并将标准Base64中的“+”和“/”分别改成了“-”和“_”，这样就免去了在URL编解码和数据库存储时所要作的转换，避免了编码信息长度在此过程中的增加，并统一了数据库、表单等处对象标识符的格式
如何转换？
那么怎么用6个有效bit来表示传统字符的8个bit呢？8和6的最小公倍数是24，也就是说3个传统字节可以由4个Base64字符来表示，保证有效位数是一样的，这样就多了1/3的字节数来弥补Base64只有6个有效bit的不足。你也可以说用两个Base64字符也能表示一个传统字符，但是采用最小公倍数的方案其实是最减少浪费的。结合下边的图比较容易理解。Man是三个字符，一共24个有效bit，只好用4个Base64字符来凑齐24个有效位。红框表示的是对应的Base64，6个有效位转化成相应的索引值再对应Base64字符表，查出"Man"对应的Base64字符是"TWFU"。说到这里有个原则不知道你发现了没有，要转换成Base64的最小单位就是三个字节，对一个字符串来说每次都是三个字节三个字节的转换，对应的是Base64的四个字节。这个搞清楚了其实就差不多了。
但是转换到最后你发现不够三个字节了怎么办呢？我们可以用两个Base64来表示一个字符或用三个Base64表示两个字符，像下图的A对应的第二个Base64的二进制位只有两个，把后边的四个补0就是了。所以A对应的Base64字符就是QQ。上边已经说过了，原则是Base64字符的最小单位是四个字符一组，那这才两个字符，后边补两个"=“吧。其实不用”=“也不耽误解码，之所以用”=“，可能是考虑到多段编码后的Base64字符串拼起来也不会引起混淆。由此可见Base64字符串只可能最后出现一个或两个”=“，中间是不可能出现”="的。下图中字符"BC"的编码过程也是一样的。
因此，通过这样的Base64转换，我们可以得到这样的一个结论：Base64的输出与输入比是4:3。特别的，当输入是n个字节时（1个字节等于8位），输出会是（4/3）*n个字节。
Java实操
public class Test {
public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
String encode = Base64.getEncoder().encodeToString("Son".getBytes("UTF-8"));
System.out.println(encode);
// 解码
byte[] decode = Base64.getDecoder().decode(encode);
System.out.println(new String(decode, "UTF-8"));
}
}
Java代码实现Base64
import java.io.UnsupportedEncodingException;
/**
* @PROJECT_NAME: demo
* @DESCRIPTION:
*/
public class base64 {
static private final int BASELENGTH = 255;
static private final int LOOKUPLENGTH = 64;
static private final int TWENTYFOURBITGROUP = 24;
static private final int EIGHTBIT = 8;
static private final int SIXTEENBIT = 16;
static private final int SIXBIT = 6;
static private final int FOURBYTE = 4;
static private final int SIGN = -128;
static private final byte PAD = (byte) '=';
static private byte[] base64Alphabet = new byte[BASELENGTH];
static private byte[] lookUpBase64Alphabet = new byte[LOOKUPLENGTH];
static {
for (int i = 0; i < BASELENGTH; i++) {
base64Alphabet[i] = -1;
}
for (int i = 'Z'; i >= 'A'; i--) {
base64Alphabet[i] = (byte) (i - 'A');
}
for (int i = 'z'; i >= 'a'; i--) {
base64Alphabet[i] = (byte) (i - 'a' + 26);
}
for (int i = '9'; i >= '0'; i--) {
base64Alphabet[i] = (byte) (i - '0' + 52);
}
base64Alphabet['+'] = 62;
base64Alphabet['/'] = 63;
for (int i = 0; i <= 25; i++)
lookUpBase64Alphabet[i] = (byte) ('A' + i);
for (int i = 26, j = 0; i <= 51; i++, j++)
lookUpBase64Alphabet[i] = (byte) ('a' + j);
for (int i = 52, j = 0; i <= 61; i++, j++)
lookUpBase64Alphabet[i] = (byte) ('0' + j);
lookUpBase64Alphabet[62] = (byte) '+';
lookUpBase64Alphabet[63] = (byte) '/';
}
public static boolean isBase64(String isValidString) {
return isArrayByteBase64(isValidString.getBytes());
}
public static boolean isBase64(byte octect) {
return (octect == PAD || base64Alphabet[octect] != -1);
}
public static boolean isArrayByteBase64(byte[] arrayOctect) {
int length = arrayOctect.length;
if (length == 0) {
// shouldn't a 0 length array be valid base64 data?
// return false;
return true;
}
for (int i = 0; i < length; i++) {
if (!base64.isBase64(arrayOctect[i])) {
return false;
}
}
return true;
}
public static String encode(String str) {
if (str == null)
return "";
try {
byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
return new String(encode(b), "UTF-8");
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
return "";
}
}
public static byte[] encodeStr2Byte(String str) {
if (str == null)
return null;
try {
byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
return encode(b);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
return null;
}
}
public static String encodeByte2Str(byte[] bytes) {
if (bytes == null)
return "";
try {
return new String(encode(bytes), "UTF-8");
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
return null;
}
}
/**
* Encodes hex octects into Base64.
*
* @param binaryData Array containing binary data to encode.
* @return Base64-encoded data.
*/
public static byte[] encode(byte[] binaryData) {
int lengthDataBits = binaryData.length * EIGHTBIT;
int fewerThan24bits = lengthDataBits % TWENTYFOURBITGROUP;
int numberTriplets = lengthDataBits / TWENTYFOURBITGROUP;
byte encodedData[] = null;
if (fewerThan24bits != 0) {
//data not divisible by 24 bit
encodedData = new byte[(numberTriplets + 1) * 4];
} else {
// 24 bit
encodedData = new byte[numberTriplets * 4];
}
byte k = 0, l = 0, b1 = 0, b2 = 0, b3 = 0;
int encodedIndex = 0;
int dataIndex = 0;
int i = 0;
for (i = 0; i < numberTriplets; i++) {
dataIndex = i * 3;
b1 = binaryData[dataIndex];
b2 = binaryData[dataIndex + 1];
b3 = binaryData[dataIndex + 2];
l = (byte) (b2 & 0x0f);
k = (byte) (b1 & 0x03);
encodedIndex = i * 4;
byte val1 =
((b1 & SIGN) == 0)
? (byte) (b1 >> 2)
: (byte) ((b1) >> 2 ^ 0xc0);
byte val2 =
((b2 & SIGN) == 0)
? (byte) (b2 >> 4)
: (byte) ((b2) >> 4 ^ 0xf0);
byte val3 =
((b3 & SIGN) == 0)
? (byte) (b3 >> 6)
: (byte) ((b3) >> 6 ^ 0xfc);
encodedData[encodedIndex] = lookUpBase64Alphabet[val1];
encodedData[encodedIndex + 1] =
lookUpBase64Alphabet[val2 | (k << 4)];
encodedData[encodedIndex + 2] =
lookUpBase64Alphabet[(l << 2) | val3];
encodedData[encodedIndex + 3] = lookUpBase64Alphabet[b3 & 0x3f];
}
// form integral number of 6-bit groups
dataIndex = i * 3;
encodedIndex = i * 4;
if (fewerThan24bits == EIGHTBIT) {
b1 = binaryData[dataIndex];
k = (byte) (b1 & 0x03);
byte val1 =
((b1 & SIGN) == 0)
? (byte) (b1 >> 2)
: (byte) ((b1) >> 2 ^ 0xc0);
encodedData[encodedIndex] = lookUpBase64Alphabet[val1];
encodedData[encodedIndex + 1] = lookUpBase64Alphabet[k << 4];
encodedData[encodedIndex + 2] = PAD;
encodedData[encodedIndex + 3] = PAD;
} else if (fewerThan24bits == SIXTEENBIT) {
b1 = binaryData[dataIndex];
b2 = binaryData[dataIndex + 1];
l = (byte) (b2 & 0x0f);
k = (byte) (b1 & 0x03);
byte val1 =
((b1 & SIGN) == 0)
? (byte) (b1 >> 2)
: (byte) ((b1) >> 2 ^ 0xc0);
byte val2 =
((b2 & SIGN) == 0)
? (byte) (b2 >> 4)
: (byte) ((b2) >> 4 ^ 0xf0);
encodedData[encodedIndex] = lookUpBase64Alphabet[val1];
encodedData[encodedIndex + 1] =
lookUpBase64Alphabet[val2 | (k << 4)];
encodedData[encodedIndex + 2] = lookUpBase64Alphabet[l << 2];
encodedData[encodedIndex + 3] = PAD;
}
return encodedData;
}
public static String decode(String str) {
if (str == null)
return "";
try {
byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
return new String(decode(b), "UTF-8");
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
return "";
}
}
public static byte[] decodeStr2Byte(String str) {
if (str == null)
return null;
try {
byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
return decode(b);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
return null;
}
}
/**
* Decodes Base64 data into octects
*
* @param binaryData Byte array containing Base64 data
* @return Array containing decoded data.
*/
public static byte[] decode(byte[] base64Data) {
// handle the edge case, so we don't have to worry about it later
if (base64Data.length == 0) {
return new byte[0];
}
int numberQuadruple = base64Data.length / FOURBYTE;
byte decodedData[] = null;
byte b1 = 0, b2 = 0, b3 = 0, b4 = 0, marker0 = 0, marker1 = 0;
// Throw away anything not in base64Data
int encodedIndex = 0;
int dataIndex = 0;
{
// this sizes the output array properly - rlw
int lastData = base64Data.length;
// ignore the '=' padding
while (base64Data[lastData - 1] == PAD) {
if (--lastData == 0) {
return new byte[0];
}
}
decodedData = new byte[lastData - numberQuadruple];
}
for (int i = 0; i < numberQuadruple; i++) {
dataIndex = i * 4;
marker0 = base64Data[dataIndex + 2];
marker1 = base64Data[dataIndex + 3];
b1 = base64Alphabet[base64Data[dataIndex]];
b2 = base64Alphabet[base64Data[dataIndex + 1]];
if (marker0 != PAD && marker1 != PAD) {
//No PAD e.g 3cQl
b3 = base64Alphabet[marker0];
b4 = base64Alphabet[marker1];
decodedData[encodedIndex] = (byte) (b1 << 2 | b2 >> 4);
decodedData[encodedIndex + 1] =
(byte) (((b2 & 0xf) << 4) | ((b3 >> 2) & 0xf));
decodedData[encodedIndex + 2] = (byte) (b3 << 6 | b4);
} else if (marker0 == PAD) {
//Two PAD e.g. 3c[Pad][Pad]
decodedData[encodedIndex] = (byte) (b1 << 2 | b2 >> 4);
} else if (marker1 == PAD) {
//One PAD e.g. 3cQ[Pad]
b3 = base64Alphabet[marker0];
decodedData[encodedIndex] = (byte) (b1 << 2 | b2 >> 4);
decodedData[encodedIndex + 1] =
(byte) (((b2 & 0xf) << 4) | ((b3 >> 2) & 0xf));
}
encodedIndex += 3;
}
return decodedData;
}
public static void main(String[] args) {
String s = "Son";
System.out.println("原串： ");
System.out.println(s);
System.out.println("--------------------------------------------------");
String r = encode(s);
System.out.println("BASE64编码后： ");
System.out.println(r);
System.out.println("--------------------------------------------------");
String decode = decode(r);
System.out.println("BASE64解码后：");
System.out.println(decode);
System.out.println("--------------------------------------------------");
}
}
参考文章
什么是Base64算法？——全网最详细讲解
BASE64编码解码
什么是Base64
