Base64编码原理与实现

Base64编码的原理是按bit将每6个bit转换成Base64编码表中的相应字符。下面是Base64的编码表：

0 A 17 R 34 i 51 z
1 B 18 S 35 j 52 0
2 C 19 T 36 k 53 1
3 D 20 U 37 l 54 2
4 E 21 V 38 m 55 3
5 F 22 W 39 n 56 4
6 G 23 X 40 o 57 5
7 H 24 Y 41 p 58 6
8 I 25 Z 42 q 59 7
9 J 26 a 43 r 60 8
10 K 27 b 44 s 61 9
11 L 28 c 45 t 62 +
12 M 29 d 46 u 63 /
13 N 30 e 47 v
14 O 31 f 48 w
15 P 32 g 49 x
16 Q 33 h 50 y

在转换到最后一个字节时，可能出现如下两种情况：
1. 最后只剩下2个bit。
2. 最后只剩下4个bit。
对于这两种情况，需要在后面被0，如下面的两个字节：

<!--<br /> <br /> Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)<br /> http://www.CodeHighlighter.com/<br /> <br /> --> 1101100111011101

在转换上面的字节时，最后会剩下4个bit。也就是1101，这时需要在后面补0，也就是变成了110100。如果后面补一对0，转换结果后面加一个 “=”，如果补两对0，加两个“=”，也就是总共的bit数除3的余数为1，则加一个“=”，余数为2，加两个“=”。上面的两个字节是16个bit，除 3的余数是1，因此，需要补一个“=”，也就是将这两个字节分成如下三组：

<!--<br /> <br /> Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)<br /> http://www.CodeHighlighter.com/<br /> <br /> --> 110110011101110100

其中110100后面两个0是补的，因此，查找上面的base64编码表可将这两个字节转换成如下的Base64编码：

<!--<br /> <br /> Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)<br /> http://www.CodeHighlighter.com/<br /> <br /> -->2d0=

下面我们来实现这个算法。算法的基本原理如下：

由于每次转换都需要6个bit，而这6个bit可能都来自一个字节，也可以来自前后相临的两个字节。定义两个变量：prevByteBitCount和 nextByteBitCount，这两个变量分别表述从前一个和后一个节字取得的bit数。如果prevByteBitCount为0，表示6个bit 全部来自下一个字节的高6位。如果nextByteBitCount = 0，表示6个bit全部来自前一个字节的低6位。最后通过适当的移位获得所需要的6个bit，再在上面的base64编码表中查找相应的字符。算法的实现 代码如下：

Code:

1. publicstaticStringencoder(byte[]bytes)
2. {
3. StringBuilderresult=newStringBuilder();
4. Stringbase64="ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
5. //prevByteBitCount表示从前一个字节取得的bit数，nextByteBitCount表示从后一个字节取得的bit数
6. intprevByteBitCount=0,nextByteBitCount=6;
7. //i表示当前的数组索引，n表示已经处理的位数
8. inti=0,n=0;
9. //byteCount表示总的位数
10. intbyteCount=8*bytes.length;
11. byteb=0;
12. while(true)
13. {
14. //处理从前后两个字节取得位数的情况
15. if(prevByteBitCount>0&&nextByteBitCount>0)
16. {
17. //将前一个字节的低位向左移nextByteBitCount个bit，并使下一个字节的高位（nextByteBitCount指定的位数）右移到字节的最低位，
18. //然后将两个位移结果进行逻辑或，也就是将从前一个字节和后一个字节取得的相应的bit合并为一个字节的低位
19. b=(byte)(((0xff&bytes[i])<<nextByteBitCount)|((0xff&bytes[i+1])>>(8-nextByteBitCount)));
20. //将逻辑或后的结果的最高两个bit置成0
21. b=(byte)(b&0x3f);
22. prevByteBitCount=8-nextByteBitCount;
23. nextByteBitCount=6-prevByteBitCount;
24. }
25. //处理从后一个字节取得高6位的情况
26. elseif(prevByteBitCount==0)
27. {
28. //后一个字节的高6位右移动低6位
29. b=(byte)((0xff&bytes[i])>>(8-nextByteBitCount));
30. //处理后面的位时，就是从前一个字节取2个bit，从后一个字字取4个bit
31. prevByteBitCount=2;
32. nextByteBitCount=4;
34. }
35. //处理从前一个字节取得低6位的情况
36. elseif(nextByteBitCount==0)
37. {
38. //将前一个字节的最高两个bit置成0
39. b=(byte)(0x3f&bytes[i]);
40. //处理后面的位时，从后一个字节取6个bit
41. prevByteBitCount=0;
42. nextByteBitCount=6;
44. }
45. result.append(base64.charAt(b));
46. n+=6;
47. i=n/8;
48. intremainBitCount=byteCount-n;
49. if(remainBitCount<6)
50. {
51. //将剩余的bit补0后，仍然需要在base64编码表中查找相应的字符，并添加到结果字符串的最后
52. if(remainBitCount>0)
53. {
54. b=bytes[bytes.length-1];
55. b=(byte)(0x3f&(b<<(6-remainBitCount)));
56. result.append(base64.charAt(b));
57. }
58. break;
59. }
60. }
61. //如果总bit数除3的余数为1，加一个“=”，为2，加两个“=”
62. n=byteCount%3;
63. for(i=0;i<n;i++)
64. result.append("=");
66. returnresult.toString();
67. }
    

最后可以使用下面的代码来验证encoder方法的正确性：

Code:

1. Strings="中华人民共和国";
2. byte[]bytes=s.getBytes("UTF-8");
3. System.out.println(encoder(bytes));
4. //使用jdk提供的base64转换类对字节数组进行base64编码
5. sun.misc.BASE64Encoderbase64Encoder=newsun.misc.BASE64Encoder();
6. System.out.println(base64Encoder.encode(bytes));

上面的代码的执行结果如下：

<!--<br /> <br /> Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)<br /> http://www.CodeHighlighter.com/<br /> <br /> -->5Lit5Y2O5Lq65rCR5YWx5ZKM5Zu9
5Lit5Y2O5Lq65rCR5YWx5ZKM5Zu9