(基础篇 04) C++ base64 编解码原理及实现

Base64原理

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。它可用来作为电子邮件的传输编码。在 Base64 中的可打印字符包括字母 A-Z、a-z、数字 0-9 和 +, /。

Base64 常用于在通常处理文本数据的场合，表示、传输、存储一些二进制数据，包括 MIME 的电子邮件及XML的一些复杂数据。

Base64 的索引表如下：

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	/

示例：将 Man 编码得到 TWFu

如果要编码的字节数不能被 3 整除，最后会多出 1 个或 2 个字节，那么可以使用下面的方法进行处理：先使用 0 字节值在末尾补足，使其能够被 3 整除，然后再进行 Base64 的编码。在编码后的 Base64 文本后加上一个或两个 = 号，代表补足的字节数。也就是说，当最后剩余两个八位(待补足)字节（2 个 byte）时，最后一个 6 位的 Base64 字节块有四位是 0 值，最后附加上两个等号；如果最后剩余一个八位(待补足)字节（ 1 个 byte）时，最后一个 6 位的 base 字节块有两位是 0 值，最后附加一个等号。

C++ 代码

base64 编解码的 c++ 代码如下所示，代码来源：github

// https://github.com/ReneNyffenegger/cpp-base64
#include "base64.h"
#include <iostream>

// there are 64 characters
static const std::string base64_chars =
		"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"
		"abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"
		"0123456789+/";


static inline bool is_base64(unsigned char c) {
	return (isalnum(c) || (c == '+') || (c == '/'));
}

std::string base64_encode(const char *bytes_to_encode, unsigned int in_len) {
	std::string ret;
	int i = 0;
	int j = 0;
	unsigned char char_array_3[3];  // store 3 byte of bytes_to_encode
	unsigned char char_array_4[4];  // store encoded character to 4 bytes

	while (in_len--) {
		char_array_3[i++] = *(bytes_to_encode++);  // get three bytes (24 bits)
		if (i == 3) {
			// eg. we have 3 bytes as ( 0100 1101, 0110 0001, 0110 1110) --> (010011, 010110, 000101, 101110)
			char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2; // get first 6 bits of first byte,
			char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4); // get last 2 bits of first byte and first 4 bit of second byte
			char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6); // get last 4 bits of second byte and first 2 bits of third byte
			char_array_4[3] = char_array_3[2] & 0x3f; // get last 6 bits of third byte

			for (i = 0; (i < 4); i++)
				ret += base64_chars[char_array_4[i]];
			i = 0;
		}
	}

	if (i)
	{
		for (j = i; j < 3; j++)
			char_array_3[j] = '\0';

		char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2;
		char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4);
		char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6);

		for (j = 0; (j < i + 1); j++)
			ret += base64_chars[char_array_4[j]];

		while ((i++ < 3))
			ret += '=';

	}

	return ret;

}

std::string base64_decode(const std::string& encoded_string) {
	size_t in_len = encoded_string.size();
	int i = 0;
	int j = 0;
	int in_ = 0;
	unsigned char char_array_4[4], char_array_3[3];
	std::string ret;

	while (in_len-- && (encoded_string[in_] != '=') && is_base64(encoded_string[in_])) {
		char_array_4[i++] = encoded_string[in_]; in_++;
		if (i == 4) {
			for (i = 0; i < 4; i++)
				char_array_4[i] = base64_chars.find(char_array_4[i]) & 0xff;

			char_array_3[0] = (char_array_4[0] << 2) + ((char_array_4[1] & 0x30) >> 4);
			char_array_3[1] = ((char_array_4[1] & 0xf) << 4) + ((char_array_4[2] & 0x3c) >> 2);
			char_array_3[2] = ((char_array_4[2] & 0x3) << 6) + char_array_4[3];

			for (i = 0; (i < 3); i++)
				ret += char_array_3[i];
			i = 0;
		}
	}

	if (i) {
		for (j = 0; j < i; j++)
			char_array_4[j] = base64_chars.find(char_array_4[j]) & 0xff;

		char_array_3[0] = (char_array_4[0] << 2) + ((char_array_4[1] & 0x30) >> 4);
		char_array_3[1] = ((char_array_4[1] & 0xf) << 4) + ((char_array_4[2] & 0x3c) >> 2);

		for (j = 0; (j < i - 1); j++) ret += char_array_3[j];
	}

	return ret;
}