Base64编码原理解析与Java实现

20180202更新：简化前言，重新排版。使用MARKDOWN排版：新版链接

一、前言

碰巧在慕课看到一个关于Base64的课程《Java实现Base64加密》，发现介绍了3个API，而非个人感兴趣的实现原理。犟劲儿上来就想造轮子，于是抱着试试的心态，查了官网RFC2045（下载完整PDF），随后有了本文。

二、Base64是什么

以下摘自Base64的维基百科：

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的6次方等于64，所以每6个比特为一个单元，对应某个可打印字符。三个字节有24个比特，对应于4个Base64单元，即3个字节需要用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，这样共有62个字符，此外两个可打印符号在不同的系统中而不同。一些如uuencode的其他编码方法，和之后binhex的版本使用不同的64字符集来代表6个二进制数字，但是它们不叫Base64。
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email、在XML中存储复杂数据。

三、规则与原理

• 原理

在MIME格式的电子邮件中，base64可以用来将binary的字节序列数据编码成ASCII字符序列构成的文本。使用时，在传输编码方式中指定base64。使用的字符包括大小写字母各26个，加上10个数字，和加号“+”，斜杠“/”，一共64个字符，等号“=”用来作为后缀用途。
完整的base64定义可见RFC1421和RFC2045。编码后的数据比原始数据略长，为原来的4/3。在电子邮件中，根据RFC822规定，每76个字符，还需要加上一个回车换行。可以估算编码后数据长度大约为原长的135.1%。
转换的时候，将三个byte的数据，先后放入一个24bit的缓冲区中，先来的byte占高位。数据不足3byte的话，于缓冲器中剩下的bit用0补足。然后，每次取出6（因为2^6=64）个bit，按照其值选择ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/中的字符作为编码后的输出。不断进行，直到全部输入数据转换完成。
当原数据长度不是3的整数倍时,如果最后剩下一个输入数据，在编码结果后加2个“=”；如果最后剩下两个输入数据，编码结果后加1个“=”；如果没有剩下任何数据，就什么都不要加，这样才可以保证数据还原的正确性。

上面提到编码后的数据长度约为原长的135.1%，计算方式：1*(4/3)*((76+1)/76)≈1.351

个人理解总结，得到以下3点：

1. 将原始数据以先后顺序每3个字节分成一组*。在每一组中，把3段8bit的字节（3*8=24）按高低位顺序分为每段6bit的4段（4*6=24），将每段转为十进制得到0~63之间的数，以之为码值/索引在Base64编码表中对照/映射得到4个密文。重复以上操作。
2. 密文每76个字符数据后加一个换行符*。
3. 若原始数据字节长度除3余1，则在输出数据末尾加2个“=”；若原始数据长度除3余2，则在输出数据末尾加1个“=”。

*若最后一组不足3个字节，则在其二进制位的低位上用尽量少的“0”补位，使二进制位的个数为6的倍数。
*注意这里的换行符指CRLF（ ），而不是LF（ ），为什么？请看RFC2045（下载完整PDF）

• 规则

↑ ASCII编码表↑

↑Base64编码表↑

四、示例

根据原数据的长度向3求余可得3种情况（示例代码下载）：

1. 向3求余得0
2. 向3求余得1
3. 向3求余得2

例1  假设我们的明文为“Base64”（数据长度为6，6%3=0），则其编码计算方式如下：

例2  假设我们的明文为“test”（数据长度为4，4%3=1），则其编码计算方式如下：

例3  假设我们的明文为“JiaMi”（数据长度为5，5%3=2），则其编码计算方式如下：

五、编码思路

代码注释充分，思路不述。

六、代码

package com.dokio.base64;

public class Base64 {
	
	//Constructor
	public Base64() {
		
	}
	
	private static final String base64Code= "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
	
	public static String encode(String srcStr) {
		//有效值检查
		if(srcStr == null || srcStr.length() == 0) {
			return srcStr;
		}
		//将明文的ASCII码转为二进制位字串
		char[] srcStrCh= srcStr.toCharArray();
		StringBuilder asciiBinStrB= new StringBuilder();
		String asciiBin= null;
		for(int i= 0; i< srcStrCh.length; i++) {
			asciiBin= Integer.toBinaryString((int)srcStrCh[i]);
			while(asciiBin.length()< 8) {
				asciiBin= "0"+ asciiBin;
			}
			asciiBinStrB.append(asciiBin);
		}
		//跟据明文长度在二进制位字串尾部补“0”
		while(asciiBinStrB.length()% 6!= 0) {
			asciiBinStrB.append("0");
		}
		String asciiBinStr= String.valueOf(asciiBinStrB);
		//将上面得到的二进制位字串转为Value，再跟据Base64编码表将之转为Encoding
		char[] codeCh= new char[asciiBinStr.length()/ 6];
		int index= 0;
		for(int i= 0; i< codeCh.length; i++) {
			index= Integer.parseInt(asciiBinStr.substring(0, 6), 2);
			asciiBinStr= asciiBinStr.substring(6);
			codeCh[i]= base64Code.charAt(index);
		}
		StringBuilder code= new StringBuilder(String.valueOf(codeCh));
		//跟据需要在尾部添加“=”
		if(srcStr.length()% 3 == 1) {
			code.append("==");
		} else if(srcStr.length()% 3 == 2) {
			code.append("=");
		}
		//每76个字符加一个回车换行符（CRLF）
		int i= 76;
		while(i< code.length()) {
			code.insert(i, "
");
			i+= 76;
		}
		code.append("
");
		return String.valueOf(code);
	}
	
	public static String decode(String srcStr) {
		//有效值检查
		if(srcStr == null || srcStr.length() == 0) {
			return srcStr;
		}
		//检测密文中“=”的个数后将之删除，同时删除换行符
		int eqCounter= 0;
		if(srcStr.endsWith("==")) {
			eqCounter= 2;
		} else if(srcStr.endsWith("=")) {
			eqCounter= 1;
		}
		srcStr= srcStr.replaceAll("=", "");
		srcStr= srcStr.replaceAll("
", "");
		//跟据Base64编码表将密文（Encoding）转为对应Value，然后转为二进制位字串
		char[] srcStrCh= srcStr.toCharArray();
		StringBuilder indexBinStr= new StringBuilder();
		String indexBin= null;
		for(int i= 0; i< srcStrCh.length; i++) {
			indexBin= Integer.toBinaryString(base64Code.indexOf((int)srcStrCh[i]));
			while(indexBin.length()< 6) {
				indexBin= "0"+ indexBin;
			}
			indexBinStr.append(indexBin);
		}
		//删除因编码而在尾部补位的“0”后得到明文的ASCII码的二进制位字串
		if(eqCounter == 1) {
			indexBinStr.delete(indexBinStr.length()- 2, indexBinStr.length());
		} else if(eqCounter == 2) {
			indexBinStr.delete(indexBinStr.length()- 4, indexBinStr.length());
		}
		String asciiBinStr= String.valueOf(indexBinStr);
		//将上面得到的二进制位字串分隔成字节后还原成明文
		String asciiBin= null;
		char[] ascii= new char[asciiBinStr.length()/ 8];
		for(int i= 0; i< ascii.length; i++) {
			asciiBin= asciiBinStr.substring(0, 8);
			asciiBinStr= asciiBinStr.substring(8);
			ascii[i]= (char)Integer.parseInt(asciiBin, 2);
		}
		return String.valueOf(ascii);
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		System.out.print(encode("I like your long long shadow.It just seems you are unhappy to say goodbye to me."));
		System.out.print("
---dokio---
");
		System.out.print(decode("SSBsaWtlIHlvdXIgbG9uZyBsb25nIHNoYWRvdy5JdCBqdXN0IHNlZW1zIHlvdSBhcmUgdW5oYXBweSB0byBzYXkgZ29vZGJ5ZSB0byBtZS4="));
		System.out.print("
---dokio---
");
		System.out.print(decode(encode("I like your long long shadow.It just seems you are unhappy to say goodbye to me.")));
	}
	
}