BASE64编码解码

1 Base64编码概述

         Base64是一种编码方式，这个术语最初是在“MIME内容传输编码规范”中提出的。Base64不是一种加密算法，它实际上是一种“二进制转换到文本”的编码方式，它能够将任意二进制数据转换为ASCII字符串的形式，以便在只支持文本的环境中也能够顺利地传输二进制数据。

（1）base64编码：把二进制数据转为字符

（2）base64解码：把字符转为二进制数据

2 Base64编码由来

　　因为有些网络传输渠道并不支持所有字节，例如传统的邮件只支持可见字符的传输，像ASCII码的控制字符（ASCII码包含了 128 个字符。其中前 32 个， 0-31 ，即 0x00-0x1F ，都是不可见字符。这些字符，就叫做控制字符。）就不能通过邮件传输。另外例如图片二进制流的每个字节不可能全部都是可见字符，所以就传送不了。

　　最好的方法就是在不改变传统协议的情况下，做一种扩展方案来支持二进制文件的传送，把不可能打印的字符用可打印的字符标识，问题就解决了。Base64编码就应运而生，Base64就是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。

3 Base64编码原理

　　如下图Base64编码索引表，字符选用了“A-Z 、 a-z 、 0-9、+、 / ”64个可打印字符。数字代表字符索引，这个是标准Base64标准协议规定的，不能更改。64个字节用6个bit位就可以全部表示（32+16+8+4+2+1）就可以全部表示。这里注意一个Base64字符是8个bit，但有效部分只有右边6个bit，左边两个永远是0。

　　 

　　那么怎么用6个有效bit来表示传统字符的8个bit呢？8和6的最小公倍数是24，也就是说3个传统字节可以由4个Base64字符来表示，保证有效位数是一样的，这样就多了1/3的字节数来弥补Base64只有6个有效bit的不足。你也可以说用两个Base64字符也能表示一个传统字符，但是采用最小公倍数的方案其实是最减少浪费的。结合下边的图比较容易理解。Man是三个字符，一共24个有效bit，只好用4个Base64字符来凑齐24个有效位。红框表示的是对应的Base64，6个有效位转化成相应的索引值再对应Base64字符表，查出"Man"对应的Base64字符是"TWFU"。说到这里有个原则不知道你发现了没有，要转换成Base64的最小单位就是三个字节，对一个字符串来说每次都是三个字节三个字节的转换，对应的是Base64的四个字节。这个搞清楚了其实就差不多了。

　　

　　但是转换到最后你发现不够三个字节了怎么办呢？愿望终于实现了，我们可以用两个Base64来表示一个字符或用三个Base64表示两个字符，像下图的A对应的第二个Base64的二进制位只有两个，把后边的四个补0就是了。所以A对应的Base64字符就是QQ。上边已经说过了，原则是Base64字符的最小单位是四个字符一组，那这才两个字符，后边补两个"="吧。其实不用"="也不耽误解码，之所以用"="，可能是考虑到多段编码后的Base64字符串拼起来也不会引起混淆。由此可见Base64字符串只可能最后出现一个或两个"="，中间是不可能出现"="的。下图中字符"BC"的编码过程也是一样的。

　　

4 java代码实现

package xin.dreaming.base64;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
   
   
public class Base64 {
    static private final int BASELENGTH = 255;
    static private final int LOOKUPLENGTH = 64;
    static private final int TWENTYFOURBITGROUP = 24;
    static private final int EIGHTBIT = 8;
    static private final int SIXTEENBIT = 16;
    static private final int SIXBIT = 6;
    static private final int FOURBYTE = 4;
    static private final int SIGN = -128;
    static private final byte PAD = (byte) '=';
    static private byte[] base64Alphabet = new byte[BASELENGTH];
    static private byte[] lookUpBase64Alphabet = new byte[LOOKUPLENGTH];
    //static private final Log log = LogSource.getInstance("org.apache.commons.util.Base64");

    static {
        for (int i = 0; i < BASELENGTH; i++) {
            base64Alphabet[i] = -1;
        }
        for (int i = 'Z'; i >= 'A'; i--) {
            base64Alphabet[i] = (byte) (i - 'A');
        }
        for (int i = 'z'; i >= 'a'; i--) {
            base64Alphabet[i] = (byte) (i - 'a' + 26);
        }
        for (int i = '9'; i >= '0'; i--) {
            base64Alphabet[i] = (byte) (i - '0' + 52);
        }

        base64Alphabet['+'] = 62;
        base64Alphabet['/'] = 63;

        for (int i = 0; i <= 25; i++)
            lookUpBase64Alphabet[i] = (byte) ('A' + i);

        for (int i = 26, j = 0; i <= 51; i++, j++)
            lookUpBase64Alphabet[i] = (byte) ('a' + j);

        for (int i = 52, j = 0; i <= 61; i++, j++)
            lookUpBase64Alphabet[i] = (byte) ('0' + j);

        lookUpBase64Alphabet[62] = (byte) '+';
        lookUpBase64Alphabet[63] = (byte) '/';
    }

    public static boolean isBase64(String isValidString) {
        return isArrayByteBase64(isValidString.getBytes());
    }

    public static boolean isBase64(byte octect) {
        //shall we ignore white space? JEFF??
        return (octect == PAD || base64Alphabet[octect] != -1);
    }

    public static boolean isArrayByteBase64(byte[] arrayOctect) {
        int length = arrayOctect.length;
        if (length == 0) {
            // shouldn't a 0 length array be valid base64 data?
            // return false;
            return true;
        }
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            if (!Base64.isBase64(arrayOctect[i]))
                return false;
        }
        return true;
    }

    public static String encode(String str) {
        if (str == null)
            return "";
        try {
            byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
            return new String(encode(b), "UTF-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            return "";
        }
    }
    public static byte[] encodeStr2Byte(String str) {
        if (str == null)
            return null;
        try {
            byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
            return encode(b);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            return null;
        }
    }
    
    public static String encodeByte2Str(byte[] bytes) {
        if (bytes == null)
            return "";
        try {
            return new String(encode(bytes), "UTF-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            return null;
        }
    }
    

    /**
     * Encodes hex octects into Base64.
     *
     * @param binaryData Array containing binary data to encode.
     * @return Base64-encoded data.
     */
    public static byte[] encode(byte[] binaryData) {
        int lengthDataBits = binaryData.length * EIGHTBIT;
        int fewerThan24bits = lengthDataBits % TWENTYFOURBITGROUP;
        int numberTriplets = lengthDataBits / TWENTYFOURBITGROUP;
        byte encodedData[] = null;

        if (fewerThan24bits != 0) {
            //data not divisible by 24 bit
            encodedData = new byte[(numberTriplets + 1) * 4];
        } else {
            // 16 or 8 bit
            encodedData = new byte[numberTriplets * 4];
        }

        byte k = 0, l = 0, b1 = 0, b2 = 0, b3 = 0;

        int encodedIndex = 0;
        int dataIndex = 0;
        int i = 0;
        //log.debug("number of triplets = " + numberTriplets);
        for (i = 0; i < numberTriplets; i++) {
            dataIndex = i * 3;
            b1 = binaryData[dataIndex];
            b2 = binaryData[dataIndex + 1];
            b3 = binaryData[dataIndex + 2];

            //log.debug("b1= " + b1 +", b2= " + b2 + ", b3= " + b3);

            l = (byte) (b2 & 0x0f);
            k = (byte) (b1 & 0x03);

            encodedIndex = i * 4;
            byte val1 =
                ((b1 & SIGN) == 0)
                    ? (byte) (b1 >> 2)
                    : (byte) ((b1) >> 2 ^ 0xc0);
            byte val2 =
                ((b2 & SIGN) == 0)
                    ? (byte) (b2 >> 4)
                    : (byte) ((b2) >> 4 ^ 0xf0);
            byte val3 =
                ((b3 & SIGN) == 0)
                    ? (byte) (b3 >> 6)
                    : (byte) ((b3) >> 6 ^ 0xfc);

            encodedData[encodedIndex] = lookUpBase64Alphabet[val1];
            //log.debug( "val2 = " + val2 );
            //log.debug( "k4   = " + (k<<4) );
            //log.debug(  "vak  = " + (val2 | (k<<4)) );
            encodedData[encodedIndex + 1] =
                lookUpBase64Alphabet[val2 | (k << 4)];
            encodedData[encodedIndex + 2] =
                lookUpBase64Alphabet[(l << 2) | val3];
            encodedData[encodedIndex + 3] = lookUpBase64Alphabet[b3 & 0x3f];
        }

        // form integral number of 6-bit groups
        dataIndex = i * 3;
        encodedIndex = i * 4;
        if (fewerThan24bits == EIGHTBIT) {
            b1 = binaryData[dataIndex];
            k = (byte) (b1 & 0x03);
            //log.debug("b1=" + b1);
            //log.debug("b1<<2 = " + (b1>>2) );
            byte val1 =
                ((b1 & SIGN) == 0)
                    ? (byte) (b1 >> 2)
                    : (byte) ((b1) >> 2 ^ 0xc0);
            encodedData[encodedIndex] = lookUpBase64Alphabet[val1];
            encodedData[encodedIndex + 1] = lookUpBase64Alphabet[k << 4];
            encodedData[encodedIndex + 2] = PAD;
            encodedData[encodedIndex + 3] = PAD;
        } else if (fewerThan24bits == SIXTEENBIT) {

            b1 = binaryData[dataIndex];
            b2 = binaryData[dataIndex + 1];
            l = (byte) (b2 & 0x0f);
            k = (byte) (b1 & 0x03);

            byte val1 =
                ((b1 & SIGN) == 0)
                    ? (byte) (b1 >> 2)
                    : (byte) ((b1) >> 2 ^ 0xc0);
            byte val2 =
                ((b2 & SIGN) == 0)
                    ? (byte) (b2 >> 4)
                    : (byte) ((b2) >> 4 ^ 0xf0);

            encodedData[encodedIndex] = lookUpBase64Alphabet[val1];
            encodedData[encodedIndex + 1] =
                lookUpBase64Alphabet[val2 | (k << 4)];
            encodedData[encodedIndex + 2] = lookUpBase64Alphabet[l << 2];
            encodedData[encodedIndex + 3] = PAD;
        }

        return encodedData;
    }

    public static String decode(String str) {
        if (str == null)
            return "";
        try {
            byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
            return new String(decode(b), "UTF-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            return "";
        }
    }
    
    public static byte[] decodeStr2Byte(String str) {
        if (str == null)
            return null;
        try {
            byte[] b = str.getBytes("UTF-8");
            return decode(b);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            return null;
        }
    }

    /**
     * Decodes Base64 data into octects
     *
     * @param binaryData Byte array containing Base64 data
     * @return Array containing decoded data.
     */
    public static byte[] decode(byte[] base64Data) {
        // handle the edge case, so we don't have to worry about it later
        if (base64Data.length == 0) {
            return new byte[0];
        }

        int numberQuadruple = base64Data.length / FOURBYTE;
        byte decodedData[] = null;
        byte b1 = 0, b2 = 0, b3 = 0, b4 = 0, marker0 = 0, marker1 = 0;

        // Throw away anything not in base64Data

        int encodedIndex = 0;
        int dataIndex = 0;
        {
            // this sizes the output array properly - rlw
            int lastData = base64Data.length;
            // ignore the '=' padding
            while (base64Data[lastData - 1] == PAD) {
                if (--lastData == 0) {
                    return new byte[0];
                }
            }
            decodedData = new byte[lastData - numberQuadruple];
        }

        for (int i = 0; i < numberQuadruple; i++) {
            dataIndex = i * 4;
            marker0 = base64Data[dataIndex + 2];
            marker1 = base64Data[dataIndex + 3];

            b1 = base64Alphabet[base64Data[dataIndex]];
            b2 = base64Alphabet[base64Data[dataIndex + 1]];

            if (marker0 != PAD && marker1 != PAD) {
                //No PAD e.g 3cQl
                b3 = base64Alphabet[marker0];
                b4 = base64Alphabet[marker1];

                decodedData[encodedIndex] = (byte) (b1 << 2 | b2 >> 4);
                decodedData[encodedIndex + 1] =
                    (byte) (((b2 & 0xf) << 4) | ((b3 >> 2) & 0xf));
                decodedData[encodedIndex + 2] = (byte) (b3 << 6 | b4);
            } else if (marker0 == PAD) {
                //Two PAD e.g. 3c[Pad][Pad]
                decodedData[encodedIndex] = (byte) (b1 << 2 | b2 >> 4);
            } else if (marker1 == PAD) {
                //One PAD e.g. 3cQ[Pad]
                b3 = base64Alphabet[marker0];

                decodedData[encodedIndex] = (byte) (b1 << 2 | b2 >> 4);
                decodedData[encodedIndex + 1] =
                    (byte) (((b2 & 0xf) << 4) | ((b3 >> 2) & 0xf));
            }
            encodedIndex += 3;
        }
        return decodedData;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException{
        String s = "application=preSign&merchantId=11110000111100192&custName=测试商户&identityType=01&identityNo=330324198803160199&mobileNo=13738716288&cardType=01&cardNo=6222222222222222&signature=E10ADC3949BA59ABBE56E057F20F883E";
        System.out.println("原串： ");
        System.out.println(s);
        System.out.println("-------------------------------------------------------------------------------");
        String r = encode(s);
        System.out.println("BASE64编码后： ");
        System.out.println(r);
        System.out.println("-------------------------------------------------------------------------------");
        String decode = decode(r);
        System.out.println("BASE64解码后：" );
        System.out.println(decode);
        System.out.println("-------------------------------------------------------------------------------");
        
        
    }

}

输出结果：

原串： 
application=preSign&merchantId=11110000111100192&custName=测试商户&identityType=01&identityNo=330324198803160199&mobileNo=13738716288&cardType=01&cardNo=6222222222222222&signature=E10ADC3949BA59ABBE56E057F20F883E
-------------------------------------------------------------------------------
BASE64编码后： 
YXBwbGljYXRpb249cHJlU2lnbiZtZXJjaGFudElkPTExMTEwMDAwMTExMTAwMTkyJmN1c3ROYW1lPea1i+ivleWVhuaItyZpZGVudGl0eVR5cGU9MDEmaWRlbnRpdHlObz0zMzAzMjQxOTg4MDMxNjAxOTkmbW9iaWxlTm89MTM3Mzg3MTYyODgmY2FyZFR5cGU9MDEmY2FyZE5vPTYyMjIyMjIyMjIyMjIyMjImc2lnbmF0dXJlPUUxMEFEQzM5NDlCQTU5QUJCRTU2RTA1N0YyMEY4ODNF
-------------------------------------------------------------------------------
BASE64解码后：
application=preSign&merchantId=11110000111100192&custName=测试商户&identityType=01&identityNo=330324198803160199&mobileNo=13738716288&cardType=01&cardNo=6222222222222222&signature=E10ADC3949BA59ABBE56E057F20F883E
------------------------------------------------------------------------------- 

 5 总结

　　说起Base64编码可能有些奇怪，因为大多数的编码都是由字符转化成二进制的过程，而从二进制转成字符的过程称为解码。而Base64的概念就恰好反了，由二进制转到字符称为编码，由字符到二进制称为解码。

　　Base64编码主要用在传输、存储、表示二进制等领域，还可以用来加密，但是这种加密比较简单，只是一眼看上去不知道什么内容罢了，当然也可以对Base64的字符序列进行定制来进行加密。

　　Base64编码是从二进制到字符的过程，像一些中文字符用不同的编码转为二进制时，产生的二进制是不一样的，所以最终产生的Base64字符也不一样。例如"上网"对应utf-8格式的Base64编码是"5LiK572R"，对应GB2312格式的Base64编码是"yc/N+A=="。

参考：

　　1、https://www.zhihu.com/question/36306744/answer/71626823

　　2、https://baike.baidu.com/item/base64/8545775?fr=aladdin&fromid=1142965&fromtitle=base64%E7%BC%96%E8%A7%A3%E7%A0%81#4_2