Base64编码原理与实现

Base64编码的原理是按bit将每6个bit转换成Base64编码表中的相应字符。下面是Base64的编码表：

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

在转换到最后一个字节时，可能出现如下两种情况：
1. 最后只剩下2个bit。
2. 最后只剩下4个bit。
对于这两种情况，需要在后面被0，如下面的两个字节：

11011001 11011101
在转换上面的字节时，最后会剩下4个bit。也就是1101，这时需要在后面补0，也就是变成了110100。如果后面补一对0，转换结果后面加一个“=”，如果补两对0，加两个“=”，也就是总共的bit数除3的余数为1，则加一个“=”，余数为2，加两个“=”。上面的两个字节是16个bit，除3的余数是1，因此，需要补一个“=”，也就是将这两个字节分成如下三组：

110110 011101 110100

其中110100后面两个0是补的，因此，查找上面的base64编码表可将这两个字节转换成如下的Base64编码：

2d0=
下面我们来实现这个算法。算法的基本原理如下：

由于每次转换都需要6个bit，而这6个bit可能都来自一个字节，也可以来自前后相临的两个字节。定义两个变量：prevByteBitCount和nextByteBitCount，这两个变量分别表述从前一个和后一个节字取得的bit数。如果prevByteBitCount为0，表示6个bit全部来自下一个字节的高6位。如果nextByteBitCount = 0，表示6个bit全部来自前一个字节的低6位。最后通过适当的移位获得所需要的6个bit，再在上面的base64编码表中查找相应的字符。算法的实现代码如下：

public static String encoder(byte[] bytes)
{
StringBuilder result = new StringBuilder();
String base64 = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
// prevByteBitCount表示从前一个字节取得的bit数，nextByteBitCount表示从后一个字节取得的bit数
int prevByteBitCount = 0, nextByteBitCount = 6;
// i表示当前的数组索引，n表示已经处理的位数
int i = 0, n = 0;
// byteCount表示总的位数
int byteCount = 8 * bytes.length;
byte b = 0;
while (true)
{
// 处理从前后两个字节取得位数的情况
if (prevByteBitCount > 0 && nextByteBitCount > 0)
{
// 将前一个字节的低位向左移nextByteBitCount个bit，并使下一个字节的高位（nextByteBitCount指定的位数）右移到字节的最低位，
// 然后将两个位移结果进行逻辑或，也就是将从前一个字节和后一个字节取得的相应的bit合并为一个字节的低位
b = (byte) (((0xff & bytes[i]) << nextByteBitCount) | ((0xff & bytes[i + 1]) >> (8 - nextByteBitCount)));
// 将逻辑或后的结果的最高两个bit置成0
b = (byte) (b & 0x3f);
prevByteBitCount = 8 - nextByteBitCount;
nextByteBitCount = 6 - prevByteBitCount;
}
// 处理从后一个字节取得高6位的情况
else if (prevByteBitCount == 0)
{
// 后一个字节的高6位右移动低6位
b = (byte) ((0xff & bytes[i]) >> (8 - nextByteBitCount));
// 处理后面的位时，就是从前一个字节取2个bit，从后一个字字取4个bit
prevByteBitCount = 2;
nextByteBitCount = 4;

}
// 处理从前一个字节取得低6位的情况
else if (nextByteBitCount == 0)
{
// 将前一个字节的最高两个bit置成0
b = (byte) (0x3f & bytes[i]);
// 处理后面的位时，从后一个字节取6个bit
prevByteBitCount = 0;
nextByteBitCount = 6;

}
result.append(base64.charAt(b));
n += 6;
i = n / 8;
int remainBitCount = byteCount - n;
if (remainBitCount < 6)
{
// 将剩余的bit补0后，仍然需要在base64编码表中查找相应的字符，并添加到结果字符串的最后
if (remainBitCount > 0)
{
b = bytes[bytes.length - 1];
b = (byte) (0x3f & (b << (6 - remainBitCount)));
result.append(base64.charAt(b));
}
break;
}
}
// 如果总bit数除3的余数为1，加一个“=”，为2，加两个“=”
n = byteCount % 3;
for (i = 0; i < n; i++)
result.append("=");

return result.toString();
}

最后可以使用下面的代码来验证encoder方法的正确性：

String s = "中华人民共和国";
byte[] bytes = s.getBytes("UTF-8");
System.out.println(encoder(bytes));
// 使用jdk提供的base64转换类对字节数组进行base64编码
sun.misc.BASE64Encoder base64Encoder = new sun.misc.BASE64Encoder();
System.out.println(base64Encoder.encode(bytes));
上面的代码的执行结果如下：

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