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一篇文章彻底弄懂Base64编码原理

作者：秋刀鱼在做梦 | 2024-08-23 08:55:21

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base64

前半部分为转载，后半部分为自己补充

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Base64的由来

目前Base64已经成为网络上常见的传输8Bit字节代码的编码方式之一。

在做支付系统时，系统之间的报文交互都需要使用Base64对明文进行转码，然后再进行签名或加密，之后再进行（或再次Base64）传输。那么，Base64到底起到什么作用呢？

在参数传输的过程中经常遇到的一种情况：使用全英文的没问题，但一旦涉及到中文就会出现乱码情况。

与此类似，网络上传输的字符并不全是可打印的字符，比如二进制文件、图片等。Base64的出现就是为了解决此问题，它是基于64个可打印的字符来表示二进制的数据的一种方法。

电子邮件刚问世的时候，只能传输英文，但后来随着用户的增加，中文、日文等文字的用户也有需求，但这些字符并不能被服务器或网关有效处理，因此Base64就登场了。随之，Base64在URL、Cookie、网页传输少量二进制文件中也有相应的使用。

Base64的编码原理

Base64的原理比较简单，每当我们使用Base64时都会先定义一个类似这样的数组：

['A', 'B', 'C', ... 'a', 'b', 'c', ... '0', '1', ... '+', '/']

上面就是Base64的索引表，字符选用了”A-Z、a-z、0-9、+、/” 64个可打印字符，这是标准的Base64协议规定。

在日常使用中我们还会看到“=”或“==”号出现在Base64的编码结果中，“=”在此是作为填充字符出现，后面会讲到。

具体转换步骤
第1步，将待转换的字符串每三个字节分为一组，每个字节占8bit，那么共有24个二进制位。
第2步，将上面的24个二进制位每6个一组，共分为4组。
第3步，在每组前面添加两个0，每组由6个变为8个二进制位，总共32个二进制位，即四个字节。
第4步，根据Base64编码对照表（见下图）获得对应的值。


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

从上面的步骤我们发现：
- Base64字符表中的字符原本用6个bit就可以表示，现在前面添加2个0，变为8个bit，会造成一定的浪费。因此，Base64编码之后的文本，要比原文大约三分之一。
- 为什么使用3个字节一组呢？因为6和8的最小公倍数为24，三个字节正好24个二进制位，每6个bit位一组，恰好能够分为4组。

示例说明
以下图的表格为示例，我们具体分析一下整个过程。

第1步：“M”、“a”、”n”对应的ASCII码值分别为77，97，110，对应的二进制值是01001101、01100001、01101110。如图第二三行所示，由此组成一个24位的二进制字符串。
第2步：如图红色框，将24位每6位二进制位一组分成四组。
第3步：在上面每一组前面补两个0，扩展成32个二进制位，此时变为四个字节：00010011、00010110、00000101、00101110。分别对应的值（Base64编码索引）为：19、22、5、46。
第4步：用上面的值在Base64编码表中进行查找，分别对应：T、W、F、u。因此“Man”Base64编码之后就变为：TWFu。
位数不足情况
上面是按照三个字节来举例说明的，如果字节数不足三个，那么该如何处理？

两个字节：两个字节共16个二进制位，依旧按照规则进行分组。此时总共16个二进制位，每6个一组，则第三组缺少2位，用0补齐，得到三个Base64编码，第四组完全没有数据则用“=”补上。因此，上图中“BC”转换之后为“QKM=”；
一个字节：一个字节共8个二进制位，依旧按照规则进行分组。此时共8个二进制位，每6个一组，则第二组缺少4位，用0补齐，得到两个Base64编码，而后面两组没有对应数据，都用“=”补上。因此，上图中“A”转换之后为“QQ==”；

注意事项

大多数编码都是由字符串转化成二进制的过程，而Base64的编码则是从二进制转换为字符串。与常规恰恰相反，
Base64编码主要用在传输、存储、表示二进制领域，不能算得上加密，只是无法直接看到明文。也可以通过打乱Base64编码来进行加密。
中文有多种编码（比如：utf-8、gb2312、gbk等），不同编码对应Base64编码结果都不一样。
延伸
上面我们已经看到了Base64就是用6位（2的6次幂就是64）表示字符，因此成为Base64。同理，Base32就是用5位，Base16就是用4位。大家可以按照上面的步骤进行演化一下。

Java 验证

最后，我们用一段Java代码来验证一下上面的转换结果：


 
 
import sun.misc.BASE64Encoder;
 
 
public class Base64Utils {
 
    public static void main(String[] args) {
        String man = "Man";
        String a = "A";
        String bc = "BC";
 
        BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
        System.out.println("Man base64结果为：" + encoder.encode(man.getBytes()));
        System.out.println("BC base64结果为：" + encoder.encode(bc.getBytes()));
        System.out.println("A base64结果为：" + encoder.encode(a.getBytes()));
    }
}

打印结果为：


Man base64结果为：TWFu
BC base64结果为：QkM=
A base64结果为：QQ==

以上结果与我们分析所得完全一致。

原文链接：https://www.choupangxia.com/topic/detail/61

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Base64URL

java.utni.Base64类的源码的字符提供了两种，一种是是普通的字符（rfc2045），一种是Url的字符(rf4648)。

https://tools.ietf.org/html/rfc4648

https://tools.ietf.org/html/rfc2045

提供了三个编码器


     static final Encoder RFC4648 = new Encoder(false, null, -1, true);
     static final Encoder RFC4648_URLSAFE = new Encoder(true, null, -1, true);
     static final Encoder RFC2045 = new Encoder(false, CRLF, MIMELINEMAX, true);

提供了对外函数


/**
     * Returns a {@link Encoder} that encodes using the
     * <a href="#basic">Basic</a> type base64 encoding scheme.
     *
     * @return  A Base64 encoder.
     */
    public static Encoder getEncoder() {
         return Encoder.RFC4648;
    }
 
    /**
     * Returns a {@link Encoder} that encodes using the
     * <a href="#url">URL and Filename safe</a> type base64
     * encoding scheme.
     *
     * @return  A Base64 encoder.
     */
    public static Encoder getUrlEncoder() {
         return Encoder.RFC4648_URLSAFE;
    }
 
    /**
     * Returns a {@link Encoder} that encodes using the
     * <a href="#mime">MIME</a> type base64 encoding scheme.
     *
     * @return  A Base64 encoder.
     */
    public static Encoder getMimeEncoder() {
        return Encoder.RFC2045;
    }

编码


    /**
         * Encodes all bytes from the specified byte array into a newly-allocated
         * byte array using the {@link Base64} encoding scheme. The returned byte
         * array is of the length of the resulting bytes.
         *
         * @param   src
         *          the byte array to encode
         * @return  A newly-allocated byte array containing the resulting
         *          encoded bytes.
         */
        public byte[] encode(byte[] src) {
            int len = outLength(src.length);          // dst array size
            byte[] dst = new byte[len];
            int ret = encode0(src, 0, src.length, dst);
            if (ret != dst.length)
                 return Arrays.copyOf(dst, ret);
            return dst;
        }
 
 
/**
         * Encodes the specified byte array into a String using the {@link Base64}
         * encoding scheme.
         *
         * <p> This method first encodes all input bytes into a base64 encoded
         * byte array and then constructs a new String by using the encoded byte
         * array and the {@link java.nio.charset.StandardCharsets#ISO_8859_1
         * ISO-8859-1} charset.
         *
         * <p> In other words, an invocation of this method has exactly the same
         * effect as invoking
         * {@code new String(encode(src), StandardCharsets.ISO_8859_1)}.
         *
         * @param   src
         *          the byte array to encode
         * @return  A String containing the resulting Base64 encoded characters
         */
        @SuppressWarnings("deprecation")
        public String encodeToString(byte[] src) {
            byte[] encoded = encode(src);
            return new String(encoded, 0, 0, encoded.length);
        }

解码


     static final Decoder RFC4648         = new Decoder(false, false);
     static final Decoder RFC4648_URLSAFE = new Decoder(true, false);
     static final Decoder RFC2045         = new Decoder(false, true);


   /**
         * Decodes all bytes from the input byte array using the {@link Base64}
         * encoding scheme, writing the results into a newly-allocated output
         * byte array. The returned byte array is of the length of the resulting
         * bytes.
         *
         * @param   src
         *          the byte array to decode
         *
         * @return  A newly-allocated byte array containing the decoded bytes.
         *
         * @throws  IllegalArgumentException
         *          if {@code src} is not in valid Base64 scheme
         */
        public byte[] decode(byte[] src) {
            byte[] dst = new byte[outLength(src, 0, src.length)];
            int ret = decode0(src, 0, src.length, dst);
            if (ret != dst.length) {
                dst = Arrays.copyOf(dst, ret);
            }
            return dst;
        }

Base64Utils工具类介绍

Spring有一个工具类：Base64Utils,提供了base64的封装，底层用的是java.utni.Base64类。

看下源码，都是对编码和解码对象的封装


/*
 * Copyright 2002-2017 the original author or authors.
 *
 * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
 * you may not use this file except in compliance with the License.
 * You may obtain a copy of the License at
 *
 *      https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * limitations under the License.
 */
 
package org.springframework.util;
 
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Base64;
 
/**
 * A simple utility class for Base64 encoding and decoding.
 *
 * <p>Adapts to Java 8's {@link java.util.Base64} in a convenience fashion.
 *
 * @author Juergen Hoeller
 * @author Gary Russell
 * @since 4.1
 * @see java.util.Base64
 */
public abstract class Base64Utils {
 
	private static final Charset DEFAULT_CHARSET = StandardCharsets.UTF_8;
 
 
	/**
	 * Base64-encode the given byte array.
	 * @param src the original byte array
	 * @return the encoded byte array
	 */
	public static byte[] encode(byte[] src) {
		if (src.length == 0) {
			return src;
		}
		return Base64.getEncoder().encode(src);
	}
 
	/**
	 * Base64-decode the given byte array.
	 * @param src the encoded byte array
	 * @return the original byte array
	 */
	public static byte[] decode(byte[] src) {
		if (src.length == 0) {
			return src;
		}
		return Base64.getDecoder().decode(src);
	}
 
	/**
	 * Base64-encode the given byte array using the RFC 4648
	 * "URL and Filename Safe Alphabet".
	 * @param src the original byte array
	 * @return the encoded byte array
	 * @since 4.2.4
	 */
	public static byte[] encodeUrlSafe(byte[] src) {
		if (src.length == 0) {
			return src;
		}
		return Base64.getUrlEncoder().encode(src);
	}
 
	/**
	 * Base64-decode the given byte array using the RFC 4648
	 * "URL and Filename Safe Alphabet".
	 * @param src the encoded byte array
	 * @return the original byte array
	 * @since 4.2.4
	 */
	public static byte[] decodeUrlSafe(byte[] src) {
		if (src.length == 0) {
			return src;
		}
		return Base64.getUrlDecoder().decode(src);
	}
 
	/**
	 * Base64-encode the given byte array to a String.
	 * @param src the original byte array (may be {@code null})
	 * @return the encoded byte array as a UTF-8 String
	 */
	public static String encodeToString(byte[] src) {
		if (src.length == 0) {
			return "";
		}
		return new String(encode(src), DEFAULT_CHARSET);
	}
 
	/**
	 * Base64-decode the given byte array from an UTF-8 String.
	 * @param src the encoded UTF-8 String
	 * @return the original byte array
	 */
	public static byte[] decodeFromString(String src) {
		if (src.isEmpty()) {
			return new byte[0];
		}
		return decode(src.getBytes(DEFAULT_CHARSET));
	}
 
	/**
	 * Base64-encode the given byte array to a String using the RFC 4648
	 * "URL and Filename Safe Alphabet".
	 * @param src the original byte array
	 * @return the encoded byte array as a UTF-8 String
	 */
	public static String encodeToUrlSafeString(byte[] src) {
		return new String(encodeUrlSafe(src), DEFAULT_CHARSET);
	}
 
	/**
	 * Base64-decode the given byte array from an UTF-8 String using the RFC 4648
	 * "URL and Filename Safe Alphabet".
	 * @param src the encoded UTF-8 String
	 * @return the original byte array
	 */
	public static byte[] decodeFromUrlSafeString(String src) {
		return decodeUrlSafe(src.getBytes(DEFAULT_CHARSET));
	}
 
}

特别需要注意的是如果是对url进行编码，要使用

Base64Utils.encodeToUrlSafeString,因为默认的字符集中“+和/”在Url中有特殊含义。


    @Test
    public void testURL() {
        String url = "http://wwww.baidu.com/dfdfdfdf/dfdf=w测试哦rdfdfwe1231j2s+dfadfdf";
        System.out.println(Base64Utils.encodeToUrlSafeString(url.getBytes()));
        System.out.println(Base64Utils.encodeToString(url.getBytes()));
    }

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