hex,base64,urlencode编码方案对比

原创：打码日记（微信公众号ID：codelogs），欢迎分享，转载请保留出处。

简介

在工作过程中，我们慢慢会了解到hex、base64、urlencode这3种常见的字节编码方案，它们是如此的熟悉，可是经常我们自己也说不清为啥要使用它们，下面我会详细解释下。

hex编码

hex编码，又称十六进制编码(也称base16)，一般用于方便人们查看二进制文件内容，它将字节数据中的每4个bit使用数字(0-9)、字母(A-F)共16个字符等效表示，由于一个字节有8个bit，所以一个字节会被编码为2个hex字符，具体规则如下： 

Linux中可使用xxd来做hex编解码，如下：

# abc这3个英文字符会被echo编码为3个字节，然后被xxd编码为6个hex字符
$ echo -n abc|xxd -ps
616263 
# 解码hex数据
$ echo 616263|xxd -ps -r
abc

base64编码

base64编码，它将字节数据中的每6个bit使用字母(a-zA-Z)、数字(0-9)、+、/总共64个字符等效表示，故每3个字节(8bit)会被编码为4个base64中的字符。 
由于数据中的字节数不一定是3的整数倍，当字节数对3求模后，多1个字节时，那个字节会被编码为2个字符加2个=号(填充字符)，多2个字节时，这2个字节会被编码为3个字符加1个=号(填充字符)，刚好整除时，则不需要=号填充，具体规则如下： 

Linux下可以使用base64这个命令做base64编解码

# 3个字母等于3个字节，所以会编码为4个base64字符，并没有=号
$ echo -n abc | base64
YWJj 
# 1个字节会被编码为2个base64字符，另加2个=号填充
$ echo -n a | base64
YQ==
# 2个字节会被编码为3个base64字符，另加1个=号填充
$ echo -n ab|base64
YWI=
# 解码base64数据
$ echo YWI= | base64 -d
ab

另外，base64编码有一些常见的变种，以下3种是常见的：

1. MimeBase64
   每76个字符后会添加换行符\r\n，便于阅读。
2. UrlBase64
   由于Base64编码使用了+ /两个字符，这与url命名规则冲突(/在url中是路径分隔符，+会被urldecode为空格字符)，这个变种将+ /这两个字符更换为- _，如下：
   
3. NoPaddingBase64
   由于Base64编码是对6bit进行编码，数据以8bit存储，当字节数不是3的整数倍时需要=号填充，这种方案就是去掉了=号，从上面的编码示例中也可以看出，加=号填充纯粹是为了保持base64编码字符串长度为4的整数倍，去掉=号其实不影响解析。

urlencode编码

urlencode编码，看名字就知道是设计用来给url编码的，对于a-z，A-Z，0-9，.，-和_ ，urlencode都不会做任何处理原样输出，而其它字节会被编码为%xx(16进制)的形式，其中xx就是这个字节对应的hex编码。

Linux下gridsite-clients包实现了urlencode命令，如下：

$ sudo apt install gridsite-clients
$ urlencode 'a b'
a%20b
$ urlencode -d a%20b
a b

使用python也很容易实现urlencode，可将其定义为 Linux 命名别名，方便使用，如下：

alias urlencode='python -c "import sys, urllib as ul; print ul.quote_plus(sys.argv[1])"'
alias urldecode='python -c "import sys, urllib as ul; print ul.unquote_plus(sys.argv[1])"'

另外，不同的urlencode实现上也有些差异，比如某些urlencode会将空格编码为+(W3C标准规定)，而另外一些实现中，空格会被编码为%20(RFC 2396)。

注：java中的URLEncoder、javascript中的encodeURIComponent、html表单提交中的application/x-www-form-urlencode，这些都会将空格编码为+，而一些web服务器在进行某些urldecode时会不认识+号，所以在使用这些函数进行urlencode编码时，最好将编码后的+替换为%20，如URLEncoder.encode(bytes, "UTF-8").replace("+", "%20")

两次urlencode解决乱码

在最开始遇到乱码问题时，在网上搜到一种 “客户端两次urlencode，服务端一次urldecode” 的乱码解决方案，并声称这样能彻底解决乱码。
然后很长一段时间我都是这样实践的，但一直不知道为什么，直到有一次我调试乱码问题调试到tomcat里面去才发现真相，原来web服务器对url都会自动做一次urldecode，urldecode后的字节使用server.xml中配置的uri-encoding字符编码转换成字符串，而如果uri-encoding这个字符编码配置与客户端使用的不同，就会出现乱码，下面用2个示例模拟一下：

1. 客户端使用UTF-8进行一次urlencode，服务端tomcat使用uri-encoding的默认编码ISO-8859-1为例：

String sendParam = "好";
// 使用UTF-8进行urlencode，'好'编码为 %E5%A5%BD
String urlencodeSendParam = URLEncoder.encode(sendParam, "UTF-8");

//....这里表示数据从客户端传至服务端
String urlencodeReceivedParam = urlencodeSendParam;
// 使用ISO-8859-1进行urldecode后，%E5%A5%BD解码为乱码 好 ，注意这个解码是web服务器自动进行的
String receivedParam = URLDecoder.decode(urlencodeReceivedParam, "ISO-8859-1");
// 会输出乱码 好
System.out.println(receivedParam);

2. 如果客户端做两次urlencode，服务端做一次urldecode，过程如下：

String sendParam = "好";
// 使用UTF-8进行urlencode，'好'编码为%E5%A5%BD
String urlencodeSendParam = URLEncoder.encode(sendParam, "UTF-8");
// 再使用UTF-8进行urlencode，%E5%A5%BD 编码为 %25E5%25A5%25BD
String urlencodeSendParam2 = URLEncoder.encode(urlencodeSendParam, "UTF-8");

//....这里表示数据从客户端传至服务端
String urlencodeReceivedParam2 = urlencodeSendParam2;
// 使用ISO-8859-1进行urldecode后，%25E5%25A5%25BD 解码为%E5%A5%BD，注意这个解码是web服务器自动进行的
String urlencodeReceivedParam = URLDecoder.decode(urlencodeReceivedParam2, "ISO-8859-1");
// 使用UTF-8进行urldecode后，%E5%A5%BD解码为'好'
String receivedParam = URLDecoder.decode(urlencodeReceivedParam, "UTF-8");
// 会输出正确的'好'字
System.out.println(receivedParam);

从上面的两个示例中，应该不难看出，之所以前端2次编码，后端1次解码不会出现乱码，是因为前端在第1次urlencode后，数据就已经变成了纯英文，而纯英文先使用UTF-8的urlencode编码，再使用ISO-8859-1的urldecode解码，是可以完全还原数据的。另外，由于服务端的第二次urldecode是你自己写的，字符编码当然会和前端使用一致的UTF-8，故好字被无误的还原回来了。

为什么说英文可以先使用UTF-8的urlencode编码，再使用ISO-8859-1的urldecode解码呢？原因是java中的URLEncoder类其实是做了两件事，先使用字符编码将字符串转换为字节，然后对字节进行urlencode编码，因为urlencode算法本质作用就是将字节数据编码为等效的英文字符表示，只不过URLEncoder类将其封装为一步了，等效代码如下：

// 1. 使用字符编码，将字符串转换为字节串，因为urlencode是用来处理字节数据的
byte[] bytes=str.getBytes(charset);
// 2. 将字节数据，使用urlencode算法，编码为英文字符串
String urlencodeStr = urlencode(bytes);

而对于UTF-8与ISO-8859-1来说，它们都是兼容ASCII码的，所以对于纯英文的urlencode编解码，编码数据是可以正确解码的，不信你可以把ISO-8859-1变成UTF-16试试，由于UTF-16是不兼容ASCII的，所以上面的方案处理后依然为乱码。

ps，虽然这种方案基本可以完美解决乱码(基于大多数主流字符编码兼容ASCII)，但由于第二次urlencode编码又会将%编码为%25，使得数据体积增大不少，所以非必要情况下，还是不要滥用比较好，能都用UTF-8就都用UTF-8吧。我以前经历过的项目都比较奇葩，多种编码混搭，才导致我要如此了解编码机制[-_-]。

注：深入理解字符编码方面，可以看看我写的这篇文章字符编码解惑

这些编码有啥用？

这些编码的本质作用都是将字节数据转换为等效的纯英文形式，主要用在那些不方便查看、存储或传输原始字节数据的地方。
比如在html中，因为html本身就是纯文本的，不能直接放入原始字节数据，这时，我们可以将一些小图标(非文本数据)通过base64编码的方式内嵌到html中，以使得html页面与图标数据能在一次网络交互中返回，这种方案也称Data URI。

对比

1. hex编码
   就算原文件是纯英文内容，编码后内容也和原文完全不一样，普通人难以阅读，但由于只有16个字符，听说一些程序员大牛能够记下他们的映射关系，从而达到读hex编码和读原文一样的效果。另外，数据在经过hex编码后，空间占用变成了原来的2倍。
2. base64编码
   由64个字符组成，比hex编码更难阅读，但由于每3个字节会被编码为4个字符，所以，空间占用会是原来的4/3，比hex要节省空间。另外要注意的是，虽然Base64编码后的数据难以阅读，但不能将其做为加密算法使用，因为它解码都不需要你提供密钥啊。
3. urlencode编码
   由于英文字符原样保留，对于以英文为主的内容，可读性最好，空间占用几乎不变，而对于非英文内容，每个字节会被编码为%xx的3个字符，空间占用是原来的3倍，所以urlencode是一个对英文友好的编码方案。

总结

除了hex,base64,urlencode编码之外，其实还有base32,base58这样的编码，但它们只是编码方式不同罢了，本质作用是相同的，即将字节数据转换为等效的纯英文表示，方便传输与存储。

往期内容

字符编码解惑
真正理解可重复读事务隔离级别
Linux文本命令技巧(下)
Linux文本命令技巧(上)
常用网络命令总结