Java 8 新特性—全新的、标准的 Base64 API

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引言

Base64编码是一种用64个字符表示二进制数据的方法，它使用一组64个可打印字符来表示二进制数据，每6个比特位为一个单元，对应某个可打印字符。注意它并不是一种加密算法，所以Base64常用于在不支持二进制数据的系统间传输二进制数据。

但是，Java 8 之前并不支持 Base64，我们需要依赖第三方库如Apache Commons Codec或者在JDK内部类sun.misc.BASE64Encoder和sun.misc.BASE64Decoder等不推荐使用的方式来实现Base64编码解码。

为了能够提供一个更加标准的、更加安全的方法来进行Base64的编码和解码操作，使得开发者们不再需要依赖外部库，Java 8 引入全新的 Base64，同时为了提供更好的性能，Java 为 Base64 的实现做了专门的性能优化。

Base64 的核心原理

在了解 Java 8 中 Base64 API 之前，我们先看 Base64 的实现原理。

Base64 的核心思想是将数据流的每三个字节划分为一组，总共24位，再将这24位分为4组，每组6位。由于每组现在只有6位，因此它可以表示的最大数值是 2^6 - 1 = 63，Base64编码正是利用这64个数字（从0到63）对应到可打印字符的映射关系来工作的。

Base64 编码的步骤如下：

1. 分组：输入数据被分成每组3字节（24位）。如果最后一组不足3字节，则用0填充至3字节。
2. 映射：每组24位被进一步划分为4个6位的小组。每个6位小组将被映射为一个0-63之间的数字。
3. 编码表：这些数字用作Base64编码表中的索引，该表由64个字符组成，包括大小写英文字母、数字和两个额外符号（通常是+和/），还有一个用于填充的=符号，以确保输出的字符数为4的倍数。
4. 转换：每个6位的分组对应的数字转换成相应的Base64字符。
5. 填充：如果原始数据字节长度不是3的倍数，最终的编码可能会用=字符填充至4的倍数长度，这样接收方在解码时能够恢复原始数据。

编码表如下：

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

有了这个映射表我们就把任意的二进制转换成Base64的编码了，下面大明哥举个例子给大家演示下转换过程。我们将 sikejava 字符串转换为 Base64 编码

步骤1：将字符转换为ASCII值

将每个字符转换为对应一个ASCII值。

• s -> 115
• i -> 105
• k -> 107
• e -> 101
• j -> 106
• a -> 97
• v -> 118
• a -> 97

步骤2：将ASCII值转换为二进制

将每个ASCII值转换为8位二进制数。

• 115 -> 01110011
• 105 -> 01101001
• 107 -> 01101011
• 101 -> 01100101
• 106 -> 01101010
• 97 -> 01100001
• 118 -> 01110110
• 97 -> 01100001

串连起来就是：01110011 01101001 01101011 01100101 01101010 01100001 01110110 01100001

步骤3：将二进制数据划分为6位一组

将连续的二进制位分成6位一组的小块。如果最后一组不足6位，需要用0填充。

上面二进制分为 6 位一组：011100 110110 100101 101011 011001 010110 101001 100001 011101 100110 000100

步骤 4：将6位二进制数转换为十进制

每组6位的二进制数将被转换成十进制数。

• 011100 -> 28
• 110110 -> 54
• 100101 -> 37
• 101011 -> 43
• 011001 -> 25
• 010110 -> 22
• 101001 -> 41
• 100001 -> 33
• 011101 -> 29
• 100110 -> 38
• 000100 -> 4

步骤5：将十进制数映射到Base64字符

• 28 -> c
• 54 -> 2
• 37 -> l
• 43 -> r
• 25 -> Z
• 22 -> W
• 41 -> p
• 33 -> h
• 29 -> d
• 38 -> m
• 4 -> E

所以，"sikejava"对应的Base64编码是 c2lrZWphdmE=。最后的=符号用于填充，因为Base64编码的输出应该是4的倍数。

我们用代码验证下 ：

System.out.println(Base64.getEncoder().encodeToString("sikejava".getBytes()));
// 结果......
c2lrZWphdmE=

Java 8 中的Base64 API

Java 8 中的 Base64 API 提供了三种主要类型的 Base64 编码和解码，他们分别适用于不同的场景和需求。

基本 Base64 编码和解码

• 编码器: 使用 Base64.getEncoder() 获取。
• 解码器: 使用 Base64.getDecoder() 获取。

它们提供了基本的 Base64 编码和解码功能，适用于所有需要 Base64 编码的场景。其特点是输出编码字符串不会包含用于换行的字符。

URL 和文件名安全 Base64 编码和解码

• 编码器: 使用 Base64.getUrlEncoder() 获取。
• 解码器: 使用 Base64.getUrlDecoder() 获取。

该编解码器适用于 URL 和文件名的 Base64 编码。由于 URL 中的某些字符（如 + 和 /）有特殊含义，所以需要使用这种编码方式来替换这些字符。使用该编码器，编码输出中的 + 和 / 字符分别被替换为 - 和 _，使得编码后的字符串可以安全地用在 URL 和文件名中。

MIME 类型 Base64 编码和解码

• 编码器: 使用 Base64.getMimeEncoder() 获取。
• 解码器: 使用 Base64.getMimeDecoder() 获取。

该编码器适用于 MIME 类型（如电子邮件）的内容，其中可能需要支持多行输出。特点是持按照 MIME 类型的要求将输出格式化为每行固定长度的多行字符串。默认每行长度不超过 76 个字符，并在每行后插入 \r\n。

Base64 提供了多种编解码的方法，大明哥这里列举几个最常用的：

• encode(byte[] src): 将给定的字节数组编码为 Base64 字符串。
• encodeToString(byte[] src): 将给定的字节数组编码为一个 Base64 字符串，并将其直接转换为字符串格式。
• decode(String src): 将给定的 Base64 字符串解码为字节数组。
• decode(byte[] src): 将给定的 Base64 编码的字节数组解码为原始字节数组。

Base64示例

基本 Base64 编码

基本编码是最常见的类型，适用于大多数需要 Base64 编码的场景。

    @Test
    public void base64BasicTest() {
        String skStr = "skjava";

        // 编码
        String encodingStr = Base64.getEncoder().encodeToString(skStr.getBytes());
        System.out.println("encodingStr = " + encodingStr);

        // 解码
        String decodeStr = new String(Base64.getDecoder().decode(encodingStr));
        System.out.println("decodeStr = " + decodeStr);
    }
// 结果......
encodingStr = c2tqYXZh
decodeStr = skjava

URL 和文件名安全 Base64 编码

URL和文件名安全编码会替换掉一些在 URL 中可能会引起问题的字符，比如 + 和 /。

    @Test
    public void base64UrlTest() {
        String skStr = "https://skjava.com/?series=skjava";

        // 编码
        String encodingStr = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(skStr.getBytes());
        System.out.println("encodingStr = " + encodingStr);

        // 解码
        String decodeStr = new String(Base64.getUrlDecoder().decode(encodingStr));
        System.out.println("decodeStr = " + decodeStr);
    }
// 结果......
encodingStr = aHR0cHM6Ly9za2phdmEuY29tLz9zZXJpZXM9c2tqYXZh
decodeStr = https://skjava.com/?series=skjava

MIME 类型 Base64 编码

MIME 类型编码适用于电子邮件或其他 MIME 类型的内容，它支持多行输出。

    @Test
    public void base64MimeTest() {
        String skStr = "Hello, MIME-Type Example。\r\n" +
                "sike-java,sike-java-feature;" +
                "sike-javanio,sike-netty";

        // 编码
        String encodingStr = Base64.getMimeEncoder().encodeToString(skStr.getBytes());
        System.out.println("encodingStr = " + encodingStr);

        // 解码
        String decodeStr = new String(Base64.getMimeDecoder().decode(encodingStr));
        System.out.println("decodeStr = " + decodeStr);
    }
// 结果......
encodingStr = SGVsbG8sIE1JTUUtVHlwZSBFeGFtcGxl44CCDQpzaWtlLWphdmEsc2lrZS1qYXZhLWZlYXR1cmU7
c2lrZS1qYXZhbmlvLHNpa2UtbmV0dHk=
decodeStr = Hello, MIME-Type Example。
sike-java,sike-java-feature;sike-javanio,sike-netty