我的Java开发学习之旅——Base64的编码思想以及Java实现

Base64是一种用64个字符来表示任意二进制数据的方法。

用记事本打开exe、jpg、pdf这些文件时，我们都会看到一大堆乱码，因为二进制文件包含很多无法显示和打印的字符，所以，如果要让记事本这样的文本处理软件能处理二进制数据，就需要一个二进制到字符串的转换方法。Base64是一种最常见的二进制编码方法。

一、编码规则

所谓Base64，就是说选出64个字符—-小写字母a-z、大写字母A-Z、数字0-9、符号"+"、"/"（再加上作为垫字的"="，实际上是65个字符）—-作为一个基本字符集。然后，其他所有符号都转换成这个字符集中的字符。

具体来说，转换方式可以分为四步。

  • 第一步，将每三个字节作为一组，一共是24个二进制位。
  • 第二步，将这24个二进制位分为四组，每个组有6个二进制位。
  • 第三步，在每组前面加两个00，扩展成32个二进制位，即四个字节。
  • 第四步，根据下表，得到扩展后的每个字节的对应符号，这就是Base64的编码值。

注：BASE64字符表：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/


Base64 编码表
Value Char
Value Char
Value Char
Value Char
0 A 16 Q 32 g 48 w
1 B 17 R 33 h 49 x
2 C 18 S 34 i 50 y
3 D 19 T 35 j 51 z
4 E 20 U 36 k 52 0
5 F 21 V 37 l 53 1
6 G 22 W 38 m 54 2
7 H 23 X 39 n 55 3
8 I 24 Y 40 o 56 4
9 J 25 Z 41 p 57 5
10 K 26 a 42 q 58 6
11 L 27 b 43 r 59 7
12 M 28 c 44 s 60 8
13 N 29 d 45 t 61 9
14 O 30 e 46 u 62 +
15 P 31 f 47 v 63 /

因为，Base64将三个字节转化成四个字节，所以Base64编码后的文本，会比原文本大出三分之一左右。

举一个具体的实例，演示英语单词Man如何转成Base64编码。

文本 M a n
ASCII编码 77 97 110
二进制位 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0
索引 19 22 5 46
Base64编码 T W F u

  • 第一步，"M"、"a"、"n"的ASCII值分别是77、97、110，对应的二进制值是01001101、01100001、01101110，将它们连成一个24位的二进制字符串010011010110000101101110。
  • 第二步，将这个24位的二进制字符串分成4组，每组6个二进制位：010011、010110、000101、101110。
  • 第三步，在每组前面加两个00，扩展成32个二进制位，即四个字节：00010011、00010110、00000101、00101110。它们的十进制值分别是19、22、5、46。
  • 第四步，根据上表，得到每个值对应Base64编码，即T、W、F、u。

因此，Man的Base64编码就是TWFu。


我们看看另外不是刚好是3个字节的情况！ 

文本（1 Byte） A

二进制位 0 1 0 0 0 0 0 1















二进制位（补0） 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0











Base64编码 Q Q = =
文本（2 Byte） B C
二进制位 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1

x x x x x x
二进制位（补0） 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 x x x x x x
Base64编码 Q k M  =

因此，A的Base64编码就是QQ==,BC的Base64编码就是QkM=


 

二、解码规则

      解码过程就是把4个字节再还原成3个字节再根据不同的数据形式把字节数组重新整理成数据。

三、Java实现Base64

public class Base64Utils {/*** 将一个字节数组转换成base64的字符数组* * @param data*            字节数组* @return base64字符数组*/private static char[] encode(byte[] data) {char[] out = new char[((data.length + 2) / 3) * 4];for (int i = 0, index = 0; i < data.length; i += 3, index += 4) {boolean quad = false;boolean trip = false;int val = (0xFF & (int) data[i]);val <<= 8;if ((i + 1) < data.length) {val |= (0xFF & (int) data[i + 1]);trip = true;}val <<= 8;if ((i + 2) < data.length) {val |= (0xFF & (int) data[i + 2]);quad = true;}out[index + 3] = alphabet[(quad ? (val & 0x3F) : 64)];val >>= 6;out[index + 2] = alphabet[(trip ? (val & 0x3F) : 64)];val >>= 6;out[index + 1] = alphabet[val & 0x3F];val >>= 6;out[index + 0] = alphabet[val & 0x3F];}return out;}/*** 将一个base64字符数组解码成一个字节数组* * @param data*            base64字符数组* @return 返回解码以后的字节数组*/private static byte[] decode(char[] data) {int len = ((data.length + 3) / 4) * 3;if (data.length > 0 && data[data.length - 1] == '=')--len;if (data.length > 1 && data[data.length - 2] == '=')--len;byte[] out = new byte[len];int shift = 0;int accum = 0;int index = 0;for (int ix = 0; ix < data.length; ix++) {int value = codes[data[ix] & 0xFF];if (value >= 0) {accum <<= 6;shift += 6;accum |= value;if (shift >= 8) {shift -= 8;out[index++] = (byte) ((accum >> shift) & 0xff);}}}if (index != out.length)throw new Error("miscalculated data length!");return out;}/*** base64字符集 0..63*/static private char[] alphabet = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/=".toCharArray();/*** 初始化base64字符集表*/static private byte[] codes = new byte[256];static {for (int i = 0; i < 256; i++)codes[i] = -1;for (int i = 'A'; i <= 'Z'; i++)codes[i] = (byte) (i - 'A');for (int i = 'a'; i <= 'z'; i++)codes[i] = (byte) (26 + i - 'a');for (int i = '0'; i <= '9'; i++)codes[i] = (byte) (52 + i - '0');codes['+'] = 62;codes['/'] = 63;}/*** 将字符串通过base64转码* @param str 要转码的字符串* @return 返回转码后的字符串*/public static String strToBase64Str(String str){return new String(encode(str.getBytes()));}/*** 将base64码反转成字符串* @param base64Str base64码* @return 返回转码后的字符串*/public static String base64StrToStr(String base64Str){char[] dataArr = new char[base64Str.length()];base64Str.getChars(0, base64Str.length(), dataArr, 0);return new String(decode(dataArr));}/*** 将字节数组通过base64转码* @param byteArray 字节数组* @return 返回转码后的字符串*/public static String byteArrayToBase64Str(byte byteArray[]){return new String(encode(byteArray));}/*** 将base64码转换成字节数组* @param base64Str base64码* @return 返回转换后的字节数组*/public static byte[] base64StrToByteArray(String base64Str){char[] dataArr = new char[base64Str.length()];base64Str.getChars(0, base64Str.length(), dataArr, 0);return decode(dataArr);}/*** @param args* @throws UnsupportedEncodingException */public static void main(String[] args) throws Exception {String strSrc = "Man";String strOut = Base64Utils.strToBase64Str(strSrc);System.out.println("源字符串 "+strSrc+" 的Base64码是："+strOut);String strOut2 = Base64Utils.base64StrToStr(strOut);System.out.println("Base64码 "+strOut+" 的对应源字符串为："+strOut2);  byte[] inByteArray={'a','b','c'};String base64Str=Base64Utils.byteArrayToBase64Str(inByteArray);StringBuilder sb=new StringBuilder();sb.append('[');for (int i = 0; i < inByteArray.length; i++) {sb.append(inByteArray[i]+" ");}sb.append(']');System.out.println("字节数组："+sb+" 的Base64码是："+base64Str);byte[] outByteArray=Base64Utils.base64StrToByteArray(base64Str);StringBuilder sb2=new StringBuilder();sb2.append('[');for (int i = 0; i < outByteArray.length; i++) {sb2.append(outByteArray[i]+" ");}sb2.append(']');System.out.println("Base64码为"+base64Str+" 的对应字节数组为："+sb2);}
}

运行效果如下：

源字符串 Man 的Base64码是：TWFu
Base64码 TWFu 的对应源字符串为：Man
字节数组：[97 98 99 ] 的Base64码是：YWJj
Base64码为YWJj 的对应字节数组为：[97 98 99 ]

 

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风君子

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