Base64编解码原理

目前Base64已经成为网络上常见的传输8比特字节代码的编码方式之一。在做支付系统时，系统之间的报文交互都需要使用Base64对明文进行转码，然后进行签名或加密，之后再次Base64编码传输。那么，Base64到底起到什么作用呢？

在参数传输的过程中经常遇到的一种情况：使用全英文的没问题，但一旦涉及到中文就会出现乱码情况。与此类似，网络上传输的字符并不全是可打印的字符，比如二进制文件、图片等。Base64的出现就是为了解决此问题，它是基于64个可打印的字符来表示二进制的数据的一种方法。

电子邮件刚问世的时候，只能传输英文，但后来随着用户的增加，中文、日文等文字的用户也有需求，但这些字符并不能被服务器或网关有效处理，因此Base64就登场了。随之，Base64在URL、Cookie、网页传输少量二进制文件中也有相应的使用。

Base64的原理比较简单，Base64定义了"A-Z、a-z、0-9、+、/"64个可打印字符，这是标准的Base64协议规定。在日常使用中我们还会看到=或==号出现在Base64的编码结果中，=在此是作为填充字符出现，待会会讲到。

Base64编码步骤：

将待转换的字符串按指定的字符集（如UTF-8、GBk等）编码成字节数组
每三个字节分为一组，每个字节占8比特，那么每组共有24个比特位
将上面的24个比特位每6个一组，共分为4组
在每组前面添加两个0，每组由6个变为8个比特位，总共32个比特位，即四个字节
按照Base64编码表（如下所示）将四个字节转化为四个对应的字符

0　A　　17　R　　　34　i　　　51　z1　B　　18　S　　　35　j　　　52　02　C　　19　T　　　36　k　　　53　13　D　　20　U　　　37　l　　　54　24　E　　21　V　　　38　m　　　55　35　F　　22　W　　　39　n　　　56　46　G　　23　X　　　40　o　　　57　57　H　　24　Y　　　41　p　　　58　68　I　　25　Z　　　42　q　　　59　79　J　　26　a　　　43　r　　　60　810　K　　27　b　　　44　s　　　61　911　L　　28　c　　　45　t　　　62　+12　M　　29　d　　　46　u　　　63　/13　N　　30　e　　　47　v14　O　　31　f　　　48　w　　　15　P　　32　g　　　49　x16　Q　　33　h　　　50　y

由于Base64是按三个字节来分组，如果最后一组字节数不足三个，那么该如何处理？

两个字节：两个字节共16个比特位，依旧按照规则进行分组。此时总共16个比特位，每6个一组，则第三组缺少2位，低位用0补齐，得到三个Base64编码，第四组完全没有数据则用=补齐
一个字节：一个字节共8个比特位，依旧按照规则进行分组。此时共8个比特位，每6个一组，则第二组缺少4位，低位用0补齐，得到两个Base64编码，而后面两组没有对应数据，都用=补齐

从上面的步骤我们发现：

Base64将3个字节共24个比特分成4组，编码后每组对应一个字节，即3个字节编码后变成4个字节，因此Base64编码后要比原文大1/3
为什么使用3个字节一组呢？因为6和8的最小公倍数为24，三个字节正好24个比特位，每6个比特位一组，恰好能够分为4组

注意：

大多数编码都是由字符串转化成二进制，而Base64编码恰恰相反是从二进制转换为字符串
Base64编码主要用传输、存储、表示二进制领域，算不上加密，Base64是可以直接解码的
由于Base64是对字节编码，因为同一字符串的不同编码（UTF-8、GBK等）对应的Base64编码不同
Base64用6个比特位表示字符，因此称为Base64（（2的6次幂为64）。同理，Base32就是用5位，Base16就是用4位

知道了Base64如何编码，那么解码就很容易了，下面说下步骤。
Base64解码步骤：

按4个字符为一组（Base64编码出来的字符串的长度一定是4的倍数）
解析拿到每一组有效的24个比特串，如果最后一组有一个=号，则16个比特串有效，最后一组有两个=号，则8个比特串有效（至于是哪些比特串有效，不用再介绍了吧，前面编码步骤中已经介绍过了）
将有效的比特串转为字节数组，再将字节数组按指定的字符集（如UTF-8、GBk等）转为字符串

参考文章：一篇文章彻底弄懂Base64编码原理

Java实现Base64编解码(不使用任何API)

下面是纯手工实现的Base64编解码，没有用到任何API（为什么这么说呢？因为强大的Java已经有实现了即class java.util.Base64）

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/*** Base64编解码实现*/
public class MyBase64 {/*** 编码*/public static String encode(String s,String charset) throws UnsupportedEncodingException {byte[] arr = s.getBytes(charset);int a = arr.length % 3;int b = arr.length / 3;StringBuilder base64Str = new StringBuilder();// 以3个字节为一组for (int i = 0; i < 3*b; i=i+3) {// 3个字节一共24位，每6位为一组，分为4组。由于是6位，一共有2^6=64个值(0~63)，因为称为Base64String bits1 = byteToBinaryString(arr[i]).substring(0, 6);String bits2 = byteToBinaryString(arr[i]).substring(6, 8)+byteToBinaryString(arr[i+1]).substring(0, 4);String bits3 = byteToBinaryString(arr[i+1]).substring(4, 8)+byteToBinaryString(arr[i+2]).substring(0, 2);String bits4 = byteToBinaryString(arr[i+2]).substring(2, 8);// 计算这4组每一组的值int w=compute(bits1);int x=compute(bits2);int y=compute(bits3);int z=compute(bits4);// 将每一组的值转换为Base64编码，并拼接在一起base64Str.append(convert(w)).append(convert(x)).append(convert(y)).append(convert(z));}if(a == 1){// 分组后，多出来一个字节，共8个bit位，则只能分为两组，即6+2，第三组和第四组直接用=表示，第二组缺失的低四位补0String bits1 = byteToBinaryString(arr[3*b]).substring(0, 6);String bits2 = byteToBinaryString(arr[3*b]).substring(6, 8)+"0000";int w = compute(bits1);int x = compute(bits2);base64Str.append(convert(w)).append(convert(x)).append('=').append('=');}else if(a == 2){// 分组后，多出来二个字节，共16个bit位，则只能分为三组，即6+6+4，第四组直接用=表示，第二组缺失的低二位补0String bits1 = byteToBinaryString(arr[3*b]).substring(0, 6);String bits2 = byteToBinaryString(arr[3*b]).substring(6, 8)+byteToBinaryString(arr[3*b+1]).substring(0, 4);String bits3 = byteToBinaryString(arr[3*b+1]).substring(4, 8)+"00";int w = compute(bits1);int x = compute(bits2);int y = compute(bits3);base64Str.append(convert(w)).append(convert(x)).append(convert(y)).append('=');}return base64Str.toString();}/*** 解码*/public static String decode(String s,String charset) throws UnsupportedEncodingException {List<Byte> bytes = new ArrayList<>();// 由于Base64编码是将三个字节作为一组变成4个字节，即4个字符，则解码时按4个字符为一组来进行解码for (int i = 0; i < s.length(); i=i+4) {if(s.charAt(i+2) == '='){// 最后一组有两个=的情况// 将字符转为Base64编码byte w = convert(s.charAt(i));byte x = convert(s.charAt(i+1));// 获取比特串String bits = byteToBinaryString(w).substring(2, 8) + byteToBinaryString(x).substring(2, 4);// 会得到一个字节for (int j = 0; j < bits.length(); j=j+8) {bytes.add(binaryStringToByte(bits.substring(j,j+8)));}}else if(s.charAt(i+3) == '='){// 最后一组有一个=的情况// 将字符转为Base64编码byte w = convert(s.charAt(i));byte x = convert(s.charAt(i+1));byte y = convert(s.charAt(i+2));// 获取比特串String bits = byteToBinaryString(w).substring(2, 8) + byteToBinaryString(x).substring(2, 8)+byteToBinaryString(y).substring(2, 6);// 会得到两个字节for (int j = 0; j < bits.length(); j=j+8) {bytes.add(binaryStringToByte(bits.substring(j,j+8)));}}else{// 无=的情况// 将字符转为Base64编码byte w = convert(s.charAt(i));byte x = convert(s.charAt(i+1));byte y = convert(s.charAt(i+2));byte z = convert(s.charAt(i+3));// 获取比特串String bits = byteToBinaryString(w).substring(2, 8) + byteToBinaryString(x).substring(2, 8)+ byteToBinaryString(y).substring(2, 8) + byteToBinaryString(z).substring(2, 8);// 会得到三个字节for (int j = 0; j < bits.length(); j=j+8) {bytes.add(binaryStringToByte(bits.substring(j,j+8)));}}}byte[] arr = new byte[bytes.size()];for (int i = 0; i < bytes.size(); i++) {arr[i] = bytes.get(i);}// 按指定字符集将byte数组转为字符串return new String(arr,charset);}/*** 将Base64编码转为对应字符的Ascii编码，进而得到对应字符* 字符的Ascii编码与Base64编码的映射关系如下：* System.out.println((int)'A'); //65 0* System.out.println((int)'a'); //97 26* System.out.println((int)'0'); //48 52* System.out.println((int)'+'); //43 62* System.out.println((int)'/'); //47 63*/private static char convert(int w){if(w >=0 && w <= 25){return (char)(w+65);}else if(w >= 26 && w <= 51){return (char)(w+71);}else if(w >= 52 && w <= 61){return (char)(w-4);}else if(w == 62){return '+';}else if(w == 63){return '/';}throw new RuntimeException("convert error");}/*** 将字符转为对应的Ascii编码，然后再转为对应的Base64编码*/private static byte convert(char w){if(w >=65 && w <= 90){return (byte)(w-65);}else if(w >= 97 && w <= 122){return (byte)(w-71);}else if(w >= 48 && w <= 57){return (byte)(w+4);}else if(w == 43){return 62;}else if(w == 47){return 63;}throw new RuntimeException("convert error");}/*** 计算任意位数二进制比特串的十进制的值*/private static int compute(String bits){int sum = 0;for (int j = 0; j < bits.length(); j++) {if(bits.charAt(j) == '1'){sum+= (int)Math.pow(2,bits.length()-1-j);}}return sum;}/*** byte转8位比特串*/private static String byteToBinaryString(byte b){// -128特殊处理if(b == -128){return "10000000";}byte tmp = b;if(tmp<0){// 将符号位从1转为0。如-127的二进制为10000001，只需要用乘积取余法得到1的比特串，再将高位0变成1就得到-127的比特串tmp = (byte)(tmp & 127);}// 存储8个比特位int index = 7;byte[] bits = new byte[8];// 开始转换byte x = tmp;do {byte y = (byte) (x%2);x = (byte) (x >> 1);bits[index--] = y;}while (x != 0);if(b < 0){// 如果是负数，则高位的0变为1bits[0] = 1;}StringBuilder sb = new StringBuilder();for (int i = 0; i < bits.length; i++) {sb.append(bits[i]);}return sb.toString();}/*** 8位比特串转byte*/private static byte binaryStringToByte(String bits){if(bits.length() != 8){throw new RuntimeException("binaryStringToByte error");}if(bits.charAt(0) == '0'){return (byte) compute(bits);}else if(bits.charAt(0) == '1'){if(bits.equals("10000000")){return -128;}else{// 计算负数补码的值byte v1 = (byte)compute(bits.substring(1));// 计算负数原码的值byte v2 = (byte)(~(v1-1));int v3 = compute(byteToBinaryString(v2).substring(1));return (byte)-v3;}}throw new RuntimeException("binaryStringToByte error");}public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {System.out.println(encode("你不要过来啊?!ok","UTF-8"));System.out.println(decode("5L2g5LiN6KaB6L+H5p2l5ZWKPyFvaw==","UTF-8"));}
}

运行结果如下所示：

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