Base64 的原理、实现及应用

最新推荐文章于 2025-05-23 14:13:15 发布

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本文深入探讨了Base64编码的原理，详细解释了如何使用64个字符集进行二进制到文本字符串的转换。文章通过实例展示了不同字符数量的Base64编码过程，并提供了Java实现的Base64编码和解码算法。

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首发于简书

Base64编码是基于64个字符(字符分别为：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxzy0123456789+/)的编码方式，因为2的6次方正好为64，所以我们用6bit就可以表示出64个字符，eg:000000对应A，000001对应B，111111对应/。
转换表如下：
QQ截图20160411092432.png

按我们的习惯，8bit是1个字节，所以我们正常使用的时候，一般都是1Byte=8bit(字符’a’=97=01100001)来使用。所以我们处理字符串的时候会遇到8bit/16bit/24bit/32bit……的情况，而Base64按照6bit为一个单元，处理的时候会遇到6bit/12bit/18bit/24bit/30bit……的情况，8和6的最小公倍数是24，所以我们用1、2、3个正常字符这三种情况就可以把所有需要转换成Base64的字符串概括了。

被3整除个字符(3/6/9/12……)：abc=01100001 01100010 01100011 分成Base64分组后为：011000 010110 001001 100011 即24 22 9 35，对应Base64编码的 YWJj
除3余1个字符(2/5/8/11……)：ab=01100001 01100010，分成Base64分组后为：011000 010110 0010，0010不够6bit，需要补0为：001000，得到YWI，因为4个Base编码为一组，最后再补上’='补齐一组，即：YWI=
除3余2个字符(1/4/7/10……)：a=011000010，分成Base64分组后为：011000 01，01不够6bit，需要补0为：010000，得到YQ，因为4个Base编码为一组，最后再补上’='补齐一组，即：YQ==

上面的文字归结为下图：

QQ截图20160411094646.png

可以看出，所有转换后的Base64编码都是4个字符的倍数(4/8/12/16……)，如果不够4个字符的，都用’='填充了。

/**
 * <p>Base64编码是基于64个字符(字符分别为：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxzy0123456789+/)的编码方式，
 * 因为2的6次方正好为64，所以我们用6bit就可以表示出64个字符，eg:000000对应A，000001对应B</p>
 * <p>按我们的习惯，一般都是1Byte=8bit(字符'a'=97=01100001)的使用，所以我们可以用24bit(6和8的最小公倍数)来进行分组，24正好事3BYTE，可以分出4组Base64的分组，需要编码的字符串有如下情况：
 * <li>被3整除：abc=01100001 01100010 01100011 分成Base64分组后为：011000 010110 001001 100011 即24 22 9 35，对应Base64编码的 YWJj</li>
 * <li>除3余1：ab=01100001 01100010，分成Base64分组后为：011000 010110 0010，0010不够6bit，需要补0为：001000，得到YWI，因为4个Base编码为一组，最后再补上'='补齐一组，即：YWI=</li>
 * <li>除3余2：a=011000010，分成Base64分组后为：011000 01，01不够6bit，需要补0为：010000，得到YQ，因为4个Base编码为一组，最后再补上'='补齐一组，即：YQ==</li>
 * </p>
 * @author chmod400
 *
 */
public class Base64Utils {
	
	private static String codeStr = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxzy0123456789+/";
	private static char[] code = codeStr.toCharArray();
	
	/**
	 * 对字符串进行Base64编码
	 * @param str
	 * @return
	 */
	public static String encode(String str) {
		if(str == null) {
			throw new NullPointerException();
		}
		StringBuffer result = new StringBuffer();
		// 字符串转为二进制
		String binStr = str2Bin(str);
		// 6bit 为一个单元，需要补0的位数
		int tail = binStr.length() % 6;
		if(tail != 0) {//最后剩2bit，需要补4位，剩4位需要补2bit
			tail = 6 - tail;
		}
		for(int i = 0; i < tail; i++) {
			binStr += "0";
		}
		for(int i = 0; i < binStr.length() / 6; i++) {
			int beginIndex = i * 6;
			String s = binStr.substring(beginIndex, beginIndex+6);
			// 二进制转十进制
			int codePoint = Integer.valueOf(s, 2);
			// 对应的字符
			char c = code[codePoint];
			result.append(c);
		}
		// 需要补=的位数
		int groupNum = binStr.length() / 6;// 6bit为一组
		if((groupNum % 4) != 0) {
			tail = 4 - groupNum % 4;
		}
		for(int i = 0; i < tail; i++) {
			result.append("=");
		}
		return result.toString();
	}

	/**
	 * base64解码
	 * @param str
	 * @return
	 */
	public static String decode(String str) {
		if(str == null) {
			throw new NullPointerException();
		}
		StringBuffer result =  new StringBuffer();
		// 去除末尾的'='
		int index = str.indexOf("=");
		if (index >= 0) {
			str = str.substring(0, index);
		}
		// base64字符串转换为二进制
		String binStr = base64Str2Bin(str);
		// 将二进制按8bit一组还原成原字符
		for(int i = 0; i < binStr.length() / 8; i++) {
			int beginIndex = i * 8;
			String s = binStr.substring(beginIndex, beginIndex+8);
			String c = bin2Str(s);
			result.append(c);
		}
		return result.toString();
	}
	
	/**
	 * 字符串转换为二进制字符串
	 * @param str
	 * @return
	 */
	private static String str2Bin(String str) {
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		// 字符串转为字符数组
		char[] c = str.toCharArray();
		for(int i = 0; i < c.length; i++) {
			// 将每个字符转换为二进制
			String s = Integer.toBinaryString(c[i]);
			// 需要补0的长度
			int len = 8 - s.length();
			for(int j = 0; j < len; j++) {
				s = "0" + s;
			}
			sb.append(s);
		}
		return sb.toString();
	}
	
	/**
	 * Base64字符串转换为二进制字符串
	 * @param str
	 * @return
	 */
	private static String base64Str2Bin(String str) {
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		// 字符串转为字符数组
		char[] c = str.toCharArray();
		for(int i = 0; i < c.length; i++) {
			// 将每个字符转换为二进制
			int index = codeStr.indexOf(c[i]);
			String s = Integer.toBinaryString(index);
			// 需要补0的长度
			int len = 6 - s.length();
			for(int j = 0; j < len; j++) {
				s = "0" + s;
			}
			sb.append(s);
		}
		return sb.toString();
	}
	
	/**
	 * 二进制转换为字符串
	 * @param binStr
	 * @return
	 */
	private static String bin2Str(String binStr) {
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		for(int i = 0; i < binStr.length() / 8; i++) {
			int beginIndex = i * 8;
			String s = binStr.substring(beginIndex, beginIndex+8);
			// 二进制转十进制
			int codePoint = Integer.valueOf(s, 2);
			// 对应的字符
			char c = Character.toChars(codePoint)[0];
			sb.append(c);
		}
		return sb.toString();
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(str2Bin("ab"));
//		System.out.println(bin2Str("000001000001000001000000"));
		/*System.out.println(encode("a"));
		System.out.println(encode("ab"));
		System.out.println(encode("abc"));
		System.out.println(encode(""));
		System.out.println(encode(null));*/
		
//		System.out.println(encode(codeStr));
		
		System.out.println(decode("YQ=="));
		System.out.println(decode("YWI="));
		System.out.println(decode("YWJj"));
		System.out.println(decode("QUJDREVGR0hJSktMTU5PUFFSU1RVVldYWVphYmNkZWZnaGlqa2xtbm9wcXJydHV2d3h6eTAxMjM0NTY3ODkrLw=="));
		System.out.println(decode(""));
		System.out.println(decode(null));
	}

}