Base64 编码原理及代码实现
Base64 编码原理及代码实现
所谓 base64 编码就是从 ASCII 码表中选取64个可打印字符(A-Za-z0-9+/)作为基本字符集对其它字符进行编码转换。加上作为填充的 “=” 实际上是 65 个字符。
Base64 产生的原因
要想了解 base64 就得先了解下 ASCII 码表, ASCII 码表是由以英语为母语的美国制定。英语用128个符号编码就够了,但是用来表示其他语言,128个符号是不够的。比如,在法语中,字母上方有注音符号,它就无法用 ASCII 码表示。于是,一些欧洲国家就决定,利用字节中闲置的最高位编入新的符号。比如,法语中的é
的编码为130(二进制10000010
)。这样一来,这些欧洲国家使用的编码体系,可以表示最多256个符号。
但是,这里又出现了新的问题。不同的国家有不同的字母,因此,哪怕它们都使用256个符号的编码方式,代表的字母却不一样。比如,130在法语编码中代表了é
,在希伯来语编码中却代表了字母Gimel
(ג
),在俄语编码中又会代表另一个符号。但是不管怎样,所有这些编码方式中,0–127表示的符号是一样的,不一样的只是128–255的这一段。
至于亚洲国家的文字,使用的符号就更多了,汉字就多达10万左右。一个字节只能表示256种符号,肯定是不够的,就必须使用多个字节表达一个符号。比如,简体中文常见的编码方式是 GB2312,使用两个字节表示一个汉字,所以理论上最多可以表示 256 * 256 = 65536 个符号。
而在网络上交换数据时,比如说从A地传到B地,往往要经过多个路由设备,由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同,这样那些不可见字符就有可能被处理错误,这是不利于传输的。所以就先把数据先做一个 Base64 编码,统统变成可见字符,这样出错的可能性就大降低了。
为什么是 Base64?
为什么是 base64 而不是 base128、base256 呢?其实原因很简单,因为在 ASCII 码表中的可打印字符只有 95 个,所以选取 64 个可打印字符是最为合理的。既然如此,那是不是也有 base32、base16 呢?对,当然可以有。只是目前大多用到的还是 base64 编码。
Base64 编码的理论实现
前面根据 A-Za-z0-9+/ 字符集可以得到一张索引表:
索引 | 对应字符 | 索引 | 对应字符 | 索引 | 对应字符 | 索引 | 对应字符 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | A | 17 | R | 34 | i | 51 | z |
1 | B | 18 | S | 35 | j | 52 | 0 |
2 | C | 19 | T | 36 | k | 53 | 1 |
3 | D | 20 | U | 37 | l | 54 | 2 |
4 | E | 21 | V | 38 | m | 55 | 3 |
5 | F | 22 | W | 39 | n | 56 | 4 |
6 | G | 23 | X | 40 | o | 57 | 5 |
7 | H | 24 | Y | 41 | p | 58 | 6 |
8 | I | 25 | Z | 42 | q | 59 | 7 |
9 | J | 26 | a | 43 | r | 60 | 8 |
10 | K | 27 | b | 44 | s | 61 | 9 |
11 | L | 28 | c | 45 | t | 62 | + |
12 | M | 29 | d | 46 | u | 63 | / |
13 | N | 30 | e | 47 | v | ||
14 | O | 31 | f | 48 | w | ||
15 | P | 32 | g | 49 | x | ||
16 | Q | 33 | h | 50 | y |
Base64 具体编码转换步骤如下:
1.将待转换的字符串以每 3 个字节分为一组,1byte = 8bit,每一组正好 24 个二进制位。
2.将上面的 24 个二进制位划分为每 6 位一组,形成 4 组。
3.每组前面加两个 0,形成 8 位一组,即 4 个字节。
4.根据上面 Base64 对照表获取对应的值,形成 Base64 编码。
**举个例子:**下面表格是以字符串 “Man” 作为原始字符串进行 Base64 编码的过程。
文本 | M | a | n | |
---|---|---|---|---|
ASCII | 77 | 97 | 110 | |
二进制 | 01001101 | 01100001 | 01101110 | |
分组 | 00 010011 | 00 010110 | 00 000101 | 00 101110 |
索引 | 19 | 22 | 5 | 46 |
Base64编码 | T | W | F | u |
那么你可能会问,如果我原始字符串少于 3 个字节怎么办呢?
如果输入原始字符串长度不能被 3 整除的话,我们需要用 “=” 对其 Base64 编码进行填充。为什么需要 “=” 填充呢?因为 Base64 解码是以 4 位字符一划分的,如果你不对其进行填充就会导致解码失败。
当原始字符串的二进制位不是 6 的倍数的时候,我们依然会将其划分为 6 位一组,然后将最后一组用 0 填充至 6 位(在末尾填充)。
**举个例子:**下面是对字符串 “AB” 的编码过程,其编码结果为 “QUI=”。
文本 | A | B | ||
---|---|---|---|---|
ASCII | 65 | 66 | ||
二进制 | 01000001 | 01000010 | ||
分组 | 00 010000 | 00 010100 | 00 001000 | |
索引 | 16 | 20 | 8 | |
Base64编码 | Q | U | I | = |
注意:中文字符有很多的编码,如 UTF-8、GBK、GB2312 等,不同的编码都会对 Base64 编码产生影响。
源代码
base64.h
/*base64.h*/
#ifndef _BASE64_H
#define _BASE64_H#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <math.h>inline unsigned int BASE64_ENCODE_SIZE(unsigned int len) { // 计算字符串加密后的长度(不包括填充字符 '=')return ceil(len * 8 / 6);
}unsigned char *base64encode(const unsigned char *str, unsigned int len);
unsigned char *base64decode(const unsigned char *str, unsigned int len);#endif
base64.c
#include <stdio.h>
#include "base64.h"#define CHARPAD '='extern inline unsigned int BASE64_ENCODE_SIZE(unsigned int);/* Base64 编码表 */
static const unsigned char base64_table_encode[] = {'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H','I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O', 'P','Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X','Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f','g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n','o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v','w', 'x', 'y', 'z', '0', '1', '2', '3','4', '5', '6', '7', '8', '9', '+', '/',
};unsigned char *base64encode(const unsigned char *str, unsigned int len)
{int i = 0, j = 0, k = 0;unsigned int encodeSize = BASE64_ENCODE_SIZE(len);unsigned char *result = (unsigned char *) malloc(sizeof(unsigned char) * encodeSize + 4);result[encodeSize] = '\0'; /* 构造字符串 */for(i = 0, j = 0; i < encodeSize; i += 4, j += 3){result[i] = base64_table_encode[(str[j] >> 2) & 0x3f];if (i + 1 >= encodeSize) break;result[i+1] = base64_table_encode[((str[j] & 0x3) << 4) | ((str[j+1] >> 4) & 0xf)];if (i + 2 >= encodeSize) break;result[i+2] = base64_table_encode[((str[j+1] & 0xf) << 2) | ((str[j+2] >> 6) & 0x3)];if (i + 3 >= encodeSize) break;result[i+3] = base64_table_encode[(str[j+2] & 0x3f)];}return result;
}
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