一份简明的 Base64 原理解析

这一回,我们来对 Base64 这一常用编解码技术的原理一探究竟。

1. Base64 是什么

> 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 2^6=64,所以每 6 个比特为一个单元,对应某个可打印字符。3 个字节有 24 个比特,对应于 4 个 Base64 单元,即 3 个字节可由 4 个可打印字符来表示。 > > ——维基百科

它不是一种加解密技术,是一种简单的编解码技术。

Base64 常用于表示、传输、存储二进制数据,也可以用于将一些含有特殊字符的文本内容编码,以便传输。

比如:

  1. 在电子邮件的传输中,Base64 可以用来将 binary 的字节序列,比如附件,编码成 ASCII 字节序列;

  2. 将一些体积不大的图片 Base64 编码后,直接内嵌到网页源码里;

  3. 将要传递给 HTTP 请求的参数做简单的转换,降低肉眼可读性;

    注:用于 URL 的 Base64 非标准 Base64,是一种变种。

  4. 网友们在论坛等公开场合习惯将邮箱地址 Base64 后再发出来,防止被爬虫抓取后发送垃圾邮件。

2. Base64 编码原理

标准 Base64 里的 64 个可打印字符是 A-Za-z0-9+/,分别依次对应索引值 0-63。索引表如下:

编码时,每 3 个字节一组,共 8bit*3=24bit,划分成 4 组,即每 6bit 代表一个编码后的索引值,划分如下图所示:

这样可能不太直观,举个例子就容易理解了。比如我们对 cat 进行编码:

可以看到 cat 编码后变成了 Y2F0

如果待编码内容的字节数不是 3 的整数倍,那需要进行一些额外的处理。

如果最后剩下 1 个字节,那么将补 4 个 0 位,编码成 2 个 Base64 字符,然后补两个 =

如果最后剩下 2 个字节,那么将补 2 个 0 位,编码成 3 个 Base64 字符,然后补一个 =

3. 实现一个简易的 Base64 编码器

讲完原理,我们就可以动手实现一个简易的标准 Base64 编码器了,以下是我参考 Java 8 的 java.util.Base64 乱写的一个 Java 版本,仅供参考,主要功能代码如下:

public class CustomBase64Encoder {

    /**
     * 索引表
     */
    private static final char[] sBase64 = {
            "A", "B", "C", "D", "E", "F", "G", "H",
            "I", "J", "K", "L", "M", "N", "O", "P",
            "Q", "R", "S", "T", "U", "V", "W", "X",
            "Y", "Z", "a", "b", "c", "d", "e", "f",
            "g", "h", "i", "j", "k", "l", "m", "n",
            "o", "p", "q", "r", "s", "t", "u", "v",
            "w", "x", "y", "z", "0", "1", "2", "3",
            "4", "5", "6", "7", "8", "9", "+", "/"
    };

    /**
     * 将 byte[] 进行 Base64 编码并返回字符串
     * @param src 原文
     * @return 编码后的字符串
     */
    public static String encode(byte[] src) {
        if (src == null) {
            return null;
        }

        byte[] dst = new byte[(src.length + 2) / 3 * 4];

        int index = 0;

        // 每次将 3 个字节编码为 4 个字节
        for (int i = 0; i < (src.length / 3 * 3); i += 3) {
            int bits = (src[i] & 0xff) << 16 | (src[i + 1] & 0xff) << 8 | (src[i + 2] & 0xff);
            dst[index++] = (byte) sBase64[(bits >>> 18) & 0x3f];
            dst[index++] = (byte) sBase64[(bits >>> 12) & 0x3f];
            dst[index++] = (byte) sBase64[(bits >>> 6) & 0x3f];
            dst[index++] = (byte) sBase64[bits & 0x3f];
        }

        // 处理剩下的 1 个或 2 个字节
        if (src.length % 3 == 1) {
            int bits = (src[src.length - 1] & 0xff) << 4;
            dst[index++] = (byte) sBase64[(bits >>> 6) & 0x3f];
            dst[index++] = (byte) sBase64[bits & 0x3f];
            dst[index++] = "=";
            dst[index] = "=";
        } else if (src.length % 3 == 2) {
            int bits = (src[src.length - 2] & 0xff) << 10 | (src[src.length - 1] & 0xff) << 2;
            dst[index++] = (byte) sBase64[(bits >>> 12) & 0x3f];
            dst[index++] = (byte) sBase64[(bits >>> 6) & 0x3f];
            dst[index++] = (byte) sBase64[bits & 0x3f];
            dst[index] = "=";
        }

        return new String(dst);
    }
}

这部分源码我也上传到 GitHub 仓库 <https: github.com mzlogin spring-practices> 的 base64test 工程里了。

4. 其它知识点

4.1 为什么有的编码结果带回车

在电子邮件中,根据 RFC 822 规定,每 76 个字符需要加上一个回车换行,所以有些编码器实现,比如 sun.misc.BASE64Encoder.encode,是带回车的,还有 java.util.Base64.Encoder.RFC2045,是带回车换行的,每行 76 个字符。

4.2 Base64 的变种

除了标准 Base64 之外,还有一些其它的 Base64 变种。

比如在 URL 的应用场景中,因为标准 Base64 索引表中的 /+ 会被 URLEncoder 转义成 %XX 形式,但 % 是 SQL 中的通配符,直接用于数据库操作会有问题。此时可以采用 URL Safe 的编码器,索引表中的 /+ 被换成 -_,比如 java.util.Base64.Encoder.RFC4648_URLSAFE 就是这样的实现。

5. 参考链接

  • <https: zh.wikipedia.org zh-hans base64>
  • <https: www.liaoxuefeng.com wiki 897692888725344 949441536192576>

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