Base64 的原理、实现及应用

Base64编码是基于64个字符(字符分别为：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxzy0123456789+/)的编码方式，因为2的6次方正好为64，所以我们用6bit就可以表示出64个字符，eg:000000对应'A'，000001对应'B'，111111对应'/'。
转换表如下：

QQ截图20160411092432.png

按我们的习惯，8bit是1个字节，所以我们正常使用的时候，一般都是1Byte=8bit(字符'a'=97=01100001)来使用。所以我们处理字符串的时候会遇到8bit/16bit/24bit/32bit……的情况，而Base64按照6bit为一个单元，处理的时候会遇到6bit/12bit/18bit/24bit/30bit……的情况，8和6的最小公倍数是24，所以我们用1、2、3个正常字符这三种情况就可以把所有需要转换成Base64的字符串概括了。

被3整除个字符(3/6/9/12……)：abc=01100001 01100010 01100011 分成Base64分组后为：011000 010110 001001 100011 即24 22 9 35，对应Base64编码的 YWJj
除3余1个字符(2/5/8/11……)：ab=01100001 01100010，分成Base64分组后为：011000 010110 0010，0010不够6bit，需要补0为：001000，得到YWI，因为4个Base编码为一组，最后再补上'='补齐一组，即：YWI=
除3余2个字符(1/4/7/10……)：a=011000010，分成Base64分组后为：011000 01，01不够6bit，需要补0为：010000，得到YQ，因为4个Base编码为一组，最后再补上'='补齐一组，即：YQ==

上面的文字归结为下图：

QQ截图20160411094646.png

可以看出，所有转换后的Base64编码都是4个字符的倍数(4/8/12/16……)，如果不够4个字符的，都用'='填充了。

1/**
2 * <p>Base64编码是基于64个字符(字符分别为：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxzy0123456789+/)的编码方式，
3 * 因为2的6次方正好为64，所以我们用6bit就可以表示出64个字符，eg:000000对应A，000001对应B</p>
4 * <p>按我们的习惯，一般都是1Byte=8bit(字符'a'=97=01100001)的使用，所以我们可以用24bit(6和8的最小公倍数)来进行分组，24正好事3BYTE，可以分出4组Base64的分组，需要编码的字符串有如下情况：
5 * <li>被3整除：abc=01100001 01100010 01100011 分成Base64分组后为：011000 010110 001001 100011 即24 22 9 35，对应Base64编码的 YWJj</li>
6 * <li>除3余1：ab=01100001 01100010，分成Base64分组后为：011000 010110 0010，0010不够6bit，需要补0为：001000，得到YWI，因为4个Base编码为一组，最后再补上'='补齐一组，即：YWI=</li>
7 * <li>除3余2：a=011000010，分成Base64分组后为：011000 01，01不够6bit，需要补0为：010000，得到YQ，因为4个Base编码为一组，最后再补上'='补齐一组，即：YQ==</li>
8 * </p>
9 * @author chmod400
10 *
11 */
12public class Base64Utils {
13    
14    private static String codeStr = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxzy0123456789+/";
15    private static char[] code = codeStr.toCharArray();
16    
17    /**
18     * 对字符串进行Base64编码
19     * @param str
20     * @return
21     */
22    public static String encode(String str) {
23        if(str == null) {
24            throw new NullPointerException();
25        }
26        StringBuffer result = new StringBuffer();
27        // 字符串转为二进制
28        String binStr = str2Bin(str);
29        // 6bit 为一个单元，需要补0的位数
30        int tail = binStr.length() % 6;
31        if(tail != 0) {//最后剩2bit，需要补4位，剩4位需要补2bit
32            tail = 6 - tail;
33        }
34        for(int i = 0; i < tail; i++) {
35            binStr += "0";
36        }
37        for(int i = 0; i < binStr.length() / 6; i++) {
38            int beginIndex = i * 6;
39            String s = binStr.substring(beginIndex, beginIndex+6);
40            // 二进制转十进制
41            int codePoint = Integer.valueOf(s, 2);
42            // 对应的字符
43            char c = code[codePoint];
44            result.append(c);
45        }
46        // 需要补=的位数
47        int groupNum = binStr.length() / 6;// 6bit为一组
48        if((groupNum % 4) != 0) {
49            tail = 4 - groupNum % 4;
50        }
51        for(int i = 0; i < tail; i++) {
52            result.append("=");
53        }
54        return result.toString();
55    }
56
57    /**
58     * base64解码
59     * @param str
60     * @return
61     */
62    public static String decode(String str) {
63        if(str == null) {
64            throw new NullPointerException();
65        }
66        StringBuffer result =  new StringBuffer();
67        // 去除末尾的'='
68        int index = str.indexOf("=");
69        if (index >= 0) {
70            str = str.substring(0, index);
71        }
72        // base64字符串转换为二进制
73        String binStr = base64Str2Bin(str);
74        // 将二进制按8bit一组还原成原字符
75        for(int i = 0; i < binStr.length() / 8; i++) {
76            int beginIndex = i * 8;
77            String s = binStr.substring(beginIndex, beginIndex+8);
78            String c = bin2Str(s);
79            result.append(c);
80        }
81        return result.toString();
82    }
83    
84    /**
85     * 字符串转换为二进制字符串
86     * @param str
87     * @return
88     */
89    private static String str2Bin(String str) {
90        StringBuffer sb = new StringBuffer();
91        // 字符串转为字符数组
92        char[] c = str.toCharArray();
93        for(int i = 0; i < c.length; i++) {
94            // 将每个字符转换为二进制
95            String s = Integer.toBinaryString(c[i]);
96            // 需要补0的长度
97            int len = 8 - s.length();
98            for(int j = 0; j < len; j++) {
99                s = "0" + s;
100            }
101            sb.append(s);
102        }
103        return sb.toString();
104    }
105    
106    /**
107     * Base64字符串转换为二进制字符串
108     * @param str
109     * @return
110     */
111    private static String base64Str2Bin(String str) {
112        StringBuffer sb = new StringBuffer();
113        // 字符串转为字符数组
114        char[] c = str.toCharArray();
115        for(int i = 0; i < c.length; i++) {
116            // 将每个字符转换为二进制
117            int index = codeStr.indexOf(c[i]);
118            String s = Integer.toBinaryString(index);
119            // 需要补0的长度
120            int len = 6 - s.length();
121            for(int j = 0; j < len; j++) {
122                s = "0" + s;
123            }
124            sb.append(s);
125        }
126        return sb.toString();
127    }
128    
129    /**
130     * 二进制转换为字符串
131     * @param binStr
132     * @return
133     */
134    private static String bin2Str(String binStr) {
135        StringBuffer sb = new StringBuffer();
136        for(int i = 0; i < binStr.length() / 8; i++) {
137            int beginIndex = i * 8;
138            String s = binStr.substring(beginIndex, beginIndex+8);
139            // 二进制转十进制
140            int codePoint = Integer.valueOf(s, 2);
141            // 对应的字符
142            char c = Character.toChars(codePoint)[0];
143            sb.append(c);
144        }
145        return sb.toString();
146    }
147    
148    public static void main(String[] args) {
149        System.out.println(str2Bin("ab"));
150//      System.out.println(bin2Str("000001000001000001000000"));
151        /*System.out.println(encode("a"));
152        System.out.println(encode("ab"));
153        System.out.println(encode("abc"));
154        System.out.println(encode(""));
155        System.out.println(encode(null));*/
156        
157//      System.out.println(encode(codeStr));
158        
159        System.out.println(decode("YQ=="));
160        System.out.println(decode("YWI="));
161        System.out.println(decode("YWJj"));
162        System.out.println(decode("QUJDREVGR0hJSktMTU5PUFFSU1RVVldYWVphYmNkZWZnaGlqa2xtbm9wcXJydHV2d3h6eTAxMjM0NTY3ODkrLw=="));
163        System.out.println(decode(""));
164        System.out.println(decode(null));
165    }
166
167}

Base64 的原理、实现及应用

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