由 Base64 展开的知识探讨

我们是袋鼠云数栈 UED 团队，致力于打造优秀的一站式数据中台产品。我们始终保持工匠精神，探索前端道路，为社区积累并传播经验价值。。

本文作者：霜序(掘金)

前言

在我们的业务应用中越来越多的应用到编码内容，例如在 API 中，给到后端的 SQL 都是通过 Base64 加密的数据等等。

能够发现我们的代码中，使用的 window 对象上的 btoa 方法实现的 Base64 编码，那 btoa 具体是如何实现的呢？将在下面的内容中为大家讲解。

那我们就先从一些基础知识开始深入了解吧~

什么是编码

编码，是信息从一种形式转变为另一种形式的过程，简要来说就是语言的翻译。

将机器语言(二进制)转变为自然语言。

五花八门的编码

ASCII 码

ASCII 码是一种字符编码标准，用于将数字、字母和其他字符转换为计算机可以理解的二进制数。

它最初是由美国信息交换标准所制定的，它包含了 128 个字符，其中包括了数字、大小写字母、标点符号、控制字符等等。

在计算机中一个字节可以表示256众不同的状态，就对应256字符，从 00000000 到 11111111。ASCII 码一共规定了128字符，所以只需要占用一个字节的后面7位，最前面一位均为0，所以 ASCII 码对应的二进制位 00000000 到 01111111。

非 ASCII 码

当其他国家需要使用计算机显示的时候就无法使用 ASCII 码如此少量的映射方法。因此技术革新开始啦。

• GB2312
  收录了6700+的汉字，使用两个字节作为编码字符集的空间
• GBK
  GBK 在保证不和 GB2312/ASCII 冲突的情况下，使用两个字节的方式编码了更多的汉字，达到了2w
• 等等

全面统一的 Unicode

面对五花八门的编码方式，同一个二进制数会被解释为不同的符号，如果使用错误的编码的方式去读区文件，就会出现乱码的问题。

那能否创建一种编码能够将所有的符号纳入其中，每一个符号都有唯一对应的编码，那么乱码问题就会消失。因此 Unicode 借此机会统一江湖。是由一个叫做 Unicode 联盟的官方组织在维护。

Unicode 最常用的就是使用两个字节来表示一个字符(如果是更为偏僻的字符，可能所需字节更多)。现代操作系统都直接支持 Unicode。

Unicode 和 ASCII 的区别

• ASCII 编码通常是一个字节，Unicode 编码通常是两个字节.
  字母 A 用 ASCII 编码十进制为 65，二进制位 01000001；而在 Unicode 编码中，需要在前面全部补0，即为 00000000 01000001
• 问题产生了，虽然使用 Unicode 解决乱码的问题，但是为纯英文的情况，存储空间会大一倍，传输和存储都不划算。

问题对应的解决方案之UTF-8

UTF-8 全名为 8-bit Unicode Transformation Format

本着节约的精神，又出现了把 Unicode 编码转为可变长编码的 UTF-8。可以根据不同字符而变化字节长度，使用1~4字节表示一个符号。UTF-8 是 Unicode 的实现方式之一。

UTF-8 的编码规则

1. 对于单字节的符号，字节的第一位设置为0，后面七位为该字符的 Unicode 码。因此对于英文字母，UTF-8 编码和 ASCII 编码是相同的。
2. 对于 n 字节的符号，第一个字节的前 n 位都是1，第 n+1 位为0，后面的字节的前两位均为10。剩下的位所填充的二进制就是这个字符的 Unicode 码

对应的编码表格

Unicode 符号范围	UTF-8 编码方式
0000 0000-0000 007F (0-127)	0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF (128-2047)	110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF (2048-65535)	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF (65536往上)	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxxx

在 Unicode 对应表中查找到“杪”所在的位置，以及其对应的十六进制 676A，对应的十进制为 26474(110011101101010)，对应三个字节 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

将110011101101010的最后一个二进制依次填充到1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx从后往前的 x ，多出的位补0即可，中，得到11100110 10011101 10101010 ，转换得到39a76a，即是杪字对应的 UTF-8 的编码

• >> 向右移动，前面补 0, 如 104 >> 2 即 01101000=> 00011010
• & 与运算，只有两个操作数相应的比特位都是 1 时，结果才为 1，否则为 0。如 104 & 3即 01101000 & 00000011 => 00000000，& 运算也用在取位时
• | 或运算，对于每一个比特位，当两个操作数相应的比特位至少有一个 1 时，结果为 1，否则为 0。如 01101000 | 00000011 => 01101011

function unicodeToByte(input) {
    if (!input) return;
    const byteArray = [];
    for (let i = 0; i < input.length; i++) {
        const code = input.charCodeAt(i); // 获取到当前字符的 Unicode 码
        if (code < 127) {
            byteArray.push(code);
        } else if (code >= 128 && code < 2047) {
            byteArray.push((code >> 6) | 192);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        } else if (code >= 2048 && code < 65535) {
            byteArray.push((code >> 12) | 224);
            byteArray.push(((code >> 6) & 63) | 128);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        }
    }
    return byteArray.map((item) => parseInt(item.toString(2)));
}

问题对应的解决方案之UTF-16

UTF-16 全名为 16-bit Unicode Transformation Format
在 Unicode 编码中，最常用的字符是0-65535，UTF-16 将0–65535范围内的字符编码成2个字节，超过这个的用4个字节编码

UTF-16 编码规则

1. 对于 Unicode 码小于 0x10000 的字符， 使用2个字节存储，并且是直接存储 Unicode 码，不用进行编码转换
2. 对于 Unicode 码在 0x10000 和 0x10FFFF 之间的字符，使用 4 个字节存储，这 4 个字节分成前后两部分，每个部分各两个字节，其中，前面两个字节的前 6 位二进制固定为 110110，后面两个字节的前 6 位二进制固定为 110111，前后部分各剩余 10 位二进制表示符号的 Unicode 码 减去 0x10000 的结果
3. 大于 0x10FFFF 的 Unicode 码无法用 UTF-16 编码

对应的编码表格

Unicode 符号范围	具体Unicode码	UTF-16 编码方式	字节
0000 0000-0000 FFFF (0-65535)	xxxxxxxx xxxxxxxx	xxxxxxxx xxxxxxxx	2字节
0001 0000-0010 FFFF (65536往上)	yy yyyyyyyy xx xxxxxxxx	110110yy yyyyyyyy 110111xx xxxxxxxx	4字节

“杪”字的 Unicode 码为 676A(26474)，小于 65535，所以对应的 UTF-16 编码也为 676A
找一个大于 0x10000 的字符，0x1101F，进行 UTF-16 编码

字节序

对于上述讲到的 UTF-16 来说，它存在一个字节序的概念。

字节序就是字节之间的顺序，当传输或者存储时，如果超过一个字节，需要指定字节间的顺序。

最小编码单元是多字节才会有字节序的问题存在，UTF-8 最小编码单元是一个字节，所以它是没有字节序的问题，UTF-16 最小编码单元是两个字节，在解析一个 UTF-16 字符之前，需要知道每个编码单元的字节序。

为什么会出现字节序？
计算机电路先处理低位字节，效率比较高，因为计算都是从低位开始的。所以，计算机的内部处理都是小端字节序。但是，人类还是习惯读写大端字节序。
所以，除了计算机的内部处理，其他的场合比如网络传输和文件储存，几乎都是用的大端字节序。
正是因为这些原因才有了字节序。

比如：前面提到过，"杪"字的 Unicode 码是 676A，"橧"字的 Unicode 码是 6A67，当我们收到一个 UTF-16 字节流 676A 时，计算机如何识别它表示的是字符 "杪"还是 字符 "橧"呢 ?

对于多字节的编码单元需要有一个标识显式的告诉计算机，按着什么样的顺序解析字符，也就是字节序。

• 大端字节序(Big-Endian)，表示高位字节在前面，低位字节在后面。高位字节保存在内存的低地址端，低位字节保存在在内存的高地址端。
• 小端字节序(Little-Endian)，表示低位字节在前，高位字节在后面。高位字节保存在内存的高地址端，而低位字节保存在内存的低地址端。
  

简单聊聊 ArrayBuffer 和 TypedArray、DataView

ArrayBuffer

ArrayBuffer 是一段存储二进制的内存，是字节数组。

它不能够被直接读写，需要创建视图来对它进行操作，指定具体格式操作二进制数据。

可以通过它创建连续的内存区域，参数是内存大小(byte)，默认初始值都是 0

TypedArray

ArrayBuffer 的一种操作视图，数据都存储到底层的 ArrayBuffer 中

const buf = new ArrayBuffer(8);
const int8Array = new Int8Array(buf);
int8Array[3] = 44;
const int16Array = new Int16Array(buf);
int16Array[0] = 42;
console.log(int16Array); // [42, 11264, 0, 0]
console.log(int8Array);  // [42, 0, 0, 44, 0, 0, 0, 0]

使用 int8 和 int16 两种方式新建的视图是相互影响的，都是直接修改的底层 buffer 的数据

DataView

DataView 是另一种操作视图，并且支持设置字节序

const buf = new ArrayBuffer(24);
const dataview = new DataView(buf);
dataView.setInt16(1, 3000, true);  // 小端序

明确电脑的字节序

上述讲到，在存储多字节的时候，我们会采用不同的字节序来做存储。那对我们的操作系统来说是有一种默认的字节序的。下面就用上述知识来明确 MacOS 的默认字节序。

function isLittleEndian() {
    const buf = new ArrayBuffer(2);
    const view = new Int8Array(buf);
    view[0]=1;
    view[1]=0;
    console.log(view);
    const int16Array = new Int16Array(buf);
    return int16Array[0] === 1;
}
console.log(isLittleEndian());

通过上述代码我们可以得出此款 MacOS 是小端序列存储

一个🌰，大家可以计算一下，是否真正明白了字节序

const buffer = new ArrayBuffer(8);
const int8Array = new Int8Array(buffer);
int8Array[0] = 30;
int8Array[1] = 41;

const dataView = new DataView(buffer);
dataView.setInt16(2, 256, true);
const int16Array = new Int16Array(buffer);
console.log(int16Array);  // [10526, 256, 0, 0]
int16Array[0] = 256;
const int8Array1 = new Int8Array(buffer);
console.log(int8Array1);

虽然 TypedArray 无法指定字节序，但是在存储的时候采用操作系统默认的字节序。所以当我们设置 int16Array[0] = 256 时，内存中存储的为 00 01

Base64 编码解码

什么是 Base64

Base64 是一种基于64个字符来表示二进制数据的方式。

A-Z、a-z、0-9、+、/、= 65个字符组成，值得注意的是 = 用于补位操作

const _base64Str = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/=';

Base64 原理

除去 = 这个补位符号，64个字符(即2^6)，可表示二进制 000000 至111111共6个比特位，一个字节有8个比特位，因此可以推算出3个字节的数据需要用4个 Base64 字符表示

举个🌰，this 的 Base64 编码为 dGhpcw== ，具体编码如下

Base64 编码解码实现

在我们的项目中，实现 Base64 编码通常使用 btoa 和 atob 实现编码和解码，下面来尝试实现 btoa/atob

前置所需要了解函数

• 获取相应字符 ASCII 码方法 String.charCodeAt(index)
• 取得 Base64 对应的字符方法 String.charAt(index)

编码实现思路

• 三个字符分别为 char1/char2/char3，对应的 base64 字符为 encode1/encode2/encode3/encode4
• encode1 是 char1 取前六位，即 char1 右移2位，encode1 = char1 >> 2
• encode2 是 char1 后两位 + char2 前四位组成，encode2 = ((char1 & 3) << 4) | (char2 >> 4)
• encode3 是 char2 后四位 + char3 前两位组成，encode3 = ((char2 & 15) << 2) | (char3 >> 6)
• encode4 是 char3 的后六位，encode4 = char3 & 63

function encodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    let base64String = "";
    for (let i = 0; i < input.length; ) {
        const char1 = input.charCodeAt(i++);
        const encode1 = char1 >> 2;
        const char2 = input.charCodeAt(i++);
        const encode2 = ((char1 & 3) << 4) | (char2 >> 4);
        const char3 = input.charCodeAt(i++);
        let encode3 = ((char2 & 15) << 2) | (char3 >> 6);
        let encode4 = char3 & 63;
        if (Number.isNaN(char2)) encode3 = encode4 = 64;
        if (Number.isNaN(char3)) encode4 = 64;
        base64String +=
            _base64Str.charAt(encode1) +
            _base64Str.charAt(encode2) +
            _base64Str.charAt(encode3) +
            _base64Str.charAt(encode4);
    }
    return base64String;
}

解码实现思路

• base64 字符为 encode1/encode2/encode3/encode4，三个字符分别为 char1/char2/char3
• char1 是 encode1 + encode2 前两位，char1 = (encode1 << 2) | (encode2 >> 4)
• char2 是 encode2 后四位 + encode3 前四位，char2 = ((encode2 & 15) << 4) | (encode3 >> 2)
• char3 是 encode3 后两位 + encode4，char3 = ((encode3 & 3) << 6) | encode4

function decodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    let output = "";
    for (let i = 0; i < input.length; ) {
        const encode1 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode2 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode3 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode4 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const char1 = (encode1 << 2) | (encode2 >> 4);
        const char2 = ((encode2 & 15) << 4) | (encode3 >> 2);
        const char3 = ((encode3 & 3) << 6) | encode4;
        output += String.fromCharCode(char1);
        if (encode3 != 64) {
            output += String.fromCharCode(char2);
        }
        if (encode4 != 64) {
            output += String.fromCharCode(char3);
        }
    }
    return output;
}

一些问题

当我们使用上述代码去编码中文的时候，就能够发现一些问题了。

console.log(encodeBase64("霜序"));                // 8=
console.log(decodeBase64(encodeBase64("霜序")));  // ô

其实是当字符的 Unicode 码大于255时，上述魔法就会失灵。同样的 window 上的 btoa 和 atob 方法也会失效。

霜序 两个字的 Unicode 分别为 38684/24207，那我们可以把这些数字转化为多个255内的数字，也就是用多个字节表示，就可以使用我们上述 Unicode 转 UTF-8 的方法，得到对应的字符，在对齐进行编码

function encodeTransform(input) {
    if (!input) return;
    const byteArray = [];
    for (let i = 0; i < input.length; i++) {
        const code = input.charCodeAt(i); // 获取到当前字符的 Unicode 码
        if (code < 128) {
            byteArray.push(code);
        } else if (code >= 128 && code < 2048) {
            byteArray.push((code >> 6) | 192);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        } else if (code >= 2048 && code < 65535) {
            byteArray.push((code >> 12) | 224);
            byteArray.push(((code >> 6) & 63) | 128);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        }
    }
    return byteArray;  // 返回 UTF-8 编码的数据
}

function encodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    let base64String = "";
    const byteArray = encodeTransform(input);
    for (let i = 0; i < byteArray.length; ) {
        const char1 = byteArray[i++];
        const encode1 = char1 >> 2;
        const char2 = byteArray[i++];
        const encode2 = ((char1 & 3) << 4) | (char2 >> 4);
        const char3 = byteArray[i++];
        let encode3 = ((char2 & 15) << 2) | (char3 >> 6);
        let encode4 = char3 & 63;
        if (Number.isNaN(char2)) encode3 = encode4 = 64;
        if (Number.isNaN(char3)) encode4 = 64;
        base64String +=
            _base64Str.charAt(encode1) +
            _base64Str.charAt(encode2) +
            _base64Str.charAt(encode3) +
            _base64Str.charAt(encode4);
    }
    return base64String;
}

console.log(encodeBase64("霜序"));     // 6Zyc5bqP

同样的我们也需要对解码的内容做相应的转换，我们需要把 Base64 解码完成的数据，通过UTF-8的编码规则还原回 Unicode 码，找到对应的字符。

function decodeTransform(byteArray) {
    let i = 0;
    const output = [];
    while (i < byteArray.length) {
        const code = byteArray[i];
        if (code < 128) {
            output.push(code);
            i++;
        } else if (code > 191 && code < 224) {
            const code1 = byteArray[i + 1];
            output.push(((code & 31) << 6) | (code1 & 63));
            i += 2;
        } else {
            const code1 = byteArray[i + 1];
            const code2 = byteArray[i + 2];
            output.push(
                ((code & 15) << 12) | ((code1 & 63) << 6) | (code2 & 63)
            );
            i += 3;
        }
    }
    return output.map((item) => String.fromCharCode(item)).join("");
}

function decodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    const byteArray = [];
    for (let i = 0; i < input.length; ) {
        const encode1 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode2 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode3 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode4 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const char1 = (encode1 << 2) | (encode2 >> 4);
        const char2 = ((encode2 & 15) << 4) | (encode3 >> 2);
        const char3 = ((encode3 & 3) << 6) | encode4;
        byteArray.push(char1);
        if (encode3 != 64) {
            byteArray.push(char2);
        }
        if (encode4 != 64) {
            byteArray.push(char3);
        }
    }
    return decodeTransform(byteArray);
}

总结

在本文中，重点是要实现 Base64 编码的内容，然后先给大家讲述了相关字符集(ASCII/Unicode)出现的原因。

Unicode 编码相关的缺点，由此引出了 UTF-8/UTF-16 编码。

对于 UTF-16 来说，最小的编码单元为两个字节，由此引出了字节序的内容。

当我们有了上述知识之后，最后开始 Base64 编码的实现。

参考链接

• 字符编码笔记：ASCII，Unicode 和 UTF-8
• 实现 Base64 的编码解码