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关于base64编码的原理及实现

2014-05-26 17:21 393 查看
转 http://www.cnblogs.com/hongru/archive/2012/01/14/2321397.html
我们的图片大部分都是可以转换成base64编码的data：image。 这个在将canvas保存为img的时候尤其有用。虽然除ie外，大部分现代浏览器都已经支持原生的基于base64的encode和decode，例如btoa和atob。（将canvas画布保存成img并强制改变mimetype进行下载，会在下一篇记录）

但是处于好奇心，还是驱使我去了解下base64编码的原理。以便也在不支持原生base64编码的ie下可以得以实现。

【Base64】

-base64的编码都是按字符串长度，以每3个8bit的字符为一组，

-然后针对每组，首先获取每个字符的ASCII编码，

-然后将ASCII编码转换成8bit的二进制，得到一组3*8=24bit的字节

-然后再将这24bit划分为4个6bit的字节，并在每个6bit的字节前面都填两个高位0，得到4个8bit的字节

-然后将这4个8bit的字节转换成10进制，对照Base64编码表 （下表），得到对应编码后的字符。

（注：1. 要求被编码字符是8bit的，所以须在ASCII编码范围内，\u0000-\u00ff，中文就不行。

　　　2. 如果被编码字符长度不是3的倍数的时候，则都用0代替，对应的输出字符为=）
Base64 编码表
ValueCharValueCharValueCharValueChar
0A16Q32g48w
1B17R33h49x
2C18S34i50y
3D19T35j51z
4E20U36k520
5F21V37l531
6G22W38m542
7H23X39n553
8I24Y40o564
9J25Z41p575
10K26a42q586
11L27b43r597
12M28c44s608
13N29d45t619
14O30e46u62+
15P31f47v63/
比如举下面2个例子：

a) 字符长度为能被3整除时：比如“Tom” ：

T           o           m
ASCII:      84          111         109
8bit字节:   01010100    01101111    01101101
6bit字节:     010101      000110      111101      101101
十进制:     21          6           61          45
对应编码:   V           G           9           t


所以，btoa('Tom') = VG9t

b) 字符串长度不能被3整除时，比如“Lucy”： (如果被编码字符长度不是3的倍数的时候，则都用0代替，对应的输出字符为=)

L           u           c           y
ASCII:      76          117         99          121
8bit字节:   01001100    01110101    01100011    01111001      00000000    00000000  (补足3的倍数  x*3*8=y*4*6)
6bit字节:     010011      000111      010101      100011      011110  010000  000000  000000
十进制:     19          7           21          35             30      16      (异常) (异常)
对应编码:   T           H           V           j               e       Q       =       =


由于Lucy只有4个字母，所以按3个一组的话，第二组还有两个空位，所以需要用0来补齐。这里就需要注意，因为是需要补齐而出现的0，所以转化成十进制的时候就不能按常规用base64编码表来对应，所以不是a，
可以理解成为一种特殊的“异常”，编码应该对应“=”。

有了上面的理论，那我们实现一个base64编码就容易了。

转 http://chhj-292.iteye.com/blog/379700 
package com.******.framework.util.encrpytion;

/**
*
* @author
* @version
*/
public final class Base64 implements IEncrypt {
/**
* 标准base64编码表
*/
private final static String	CODEC	= "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
private final static Base64	base64	= new Base64();

private Base64() {

}

public static Base64 getInstance() {
return base64;
}

/* (non-Javadoc)
* @see com.pantosoft.framework.util.encrpytion.IEncryptencrypt(java.lang.String)
*/
public String encrypt(String s) throws Exception {
return encode(s.getBytes());
}

/* (non-Javadoc)
* @see com.pantosoft.framework.util.encrpytion.IEncrypt#decrypt(java.lang.String)
*/
public String decrypt(String s) throws Exception {
return new String(this.decode(s));
}

private String encode(byte[] bytes) {
StringBuilder s = new StringBuilder();
int i = 0;
byte pos;
/*
一次处理3个字节，3*8 == 4*6 的运算规则来进行重新编码

该方法中的*&63,*&15,*&3操作的意义如下：
计算机中byte数据类型存储的64形式如下：11111111
计算机中byte数据类型存储的15形式如下：1111，即 2^3 + 2^2 + 2^1 + 2^0 = 15
“&”、“与”，运算这里主要进行高位清零操作。
*/
for (i = 0; i < (bytes.length - (bytes.length % 3)); i += 3) {

//第一个字节，根据源字节的第一个字节处理。
//规则：源第一字节右移两位，去掉低2位，高2位补零。
//既：00 + 高6位
pos = (byte) ((bytes[i] >> 2) & 63);
s.append(CODEC.charAt(pos));

//第二个字节，根据源字节的第一个字节和第二个字节联合处理。
//规则如下，第一个字节高6位去掉左移四位，第二个字节右移四位
//即：源第一字节低2位 + 源第2字节高4位
pos = (byte) (((bytes[i] & 3) << 4) + ((bytes[i + 1] >> 4) & 15));
s.append(CODEC.charAt(pos));

//第三个字节，根据源字节的第二个字节和第三个字节联合处理，
//规则第二个字节去掉高4位并左移两位（得高6位），第三个字节右移6位并去掉高6位（得低2位），相加即可
pos = (byte) (((bytes[i + 1] & 15) << 2) + ((bytes[i + 2] >> 6) & 3));
s.append(CODEC.charAt(pos));

//第四个字节，规则，源第三字节去掉高2位即可
pos = (byte) (((bytes[i + 2]) & 63));
s.append(CODEC.charAt(pos));

//根据base64的编码规则，每76个字符需要一个换行
//76*3/4 = 57
if (((i + 2) % 56) == 0) {
s.append("\r\n");
}
}

if (bytes.length % 3 != 0) {

if (bytes.length % 3 == 2) {

pos = (byte) ((bytes[i] >> 2) & 63);
s.append(CODEC.charAt(pos));

pos = (byte) (((bytes[i] & 3) << 4) + ((bytes[i + 1] >> 4) & 15));
s.append(CODEC.charAt(pos));

pos = (byte) ((bytes[i + 1] & 15) << 2);
s.append(CODEC.charAt(pos));

s.append("=");

} else if (bytes.length % 3 == 1) {
//分出第一个二进制位的前6位，右移两位，得到一个新8位
pos = (byte) ((bytes[i] >> 2) & 63);
s.append(CODEC.charAt(pos));
//先清零比3高的高位，分出8位的后两位，然后左移4位，得到一个新8位
pos = (byte) ((bytes[i] & 3) << 4);
s.append(CODEC.charAt(pos));

s.append("==");
}
}
return s.toString();
}

/**
*
* @param s
* @return
* @throws Exception
*/
public byte[] decode(String s) throws Exception {
StringBuffer buf = new StringBuffer(s);
int i = 0;
char c = ' ';
char oc = ' ';
while (i < buf.length()) {
oc = c;
c = buf.charAt(i);
if (oc == '\r' && c == '\n') {
buf.deleteCharAt(i);
buf.deleteCharAt(i - 1);
i -= 2;
} else if (c == '\t') {
buf.deleteCharAt(i);
i--;
} else if (c == ' ') {
i--;
}
i++;
}

//base64编码的字符长度必须为4的倍数
if (buf.length() % 4 != 0) {
throw new Exception("Base64 decoding invalid length");
}

//预设的字节数组的长度
byte[] bytes = new byte[3 * (buf.length() / 4)];
int index = 0;

/**
* 每4个base64字符代表一个源字符编码后的字符！
*
* 然后每四个字符分别做循环，每个循环左移6位，作为低6位，该低6位再补上下一个base64字符在base64码表中的序列。
* 因为字符在码表中的序列小于等于64，即，小于等于2的6次方（6位）！
*/
for (i = 0; i < buf.length(); i += 4) {

byte base64Index = 0;
int nGroup = 0;

for (int j = 0; j < 4; j++) {

char theChar = buf.charAt(i + j);

if (theChar == '=') {
base64Index = 0;
} else {
base64Index = getBase64Index(theChar);
}

if (base64Index == -1) {
throw new Exception("Base64 decoding bad character");
}
//每次都想高位移动6个位置后再加上新的字符所在base64编码表中的位置。
nGroup = (nGroup << 6) + base64Index;
}

//右移16位，取高8位
bytes[index] = (byte) (255 & (nGroup >> 16));
index++;

//右移8位，取高16位，且与00..0011111111(32位windows系统)进行and操作，取该高16位的低8位。
if ((255 & (nGroup >> 8)) == 0) {
continue;
}
bytes[index] = (byte) (255 & (nGroup >> 8));
index++;

//直接与00..0011111111进行and操作，该32位数的低8位
if ((255 & nGroup) == 0) {
continue;
}
bytes[index] = (byte) (255 & (nGroup));
index++;
}

byte[] newBytes = new byte[index];
for (i = 0; i < index; i++) {
newBytes[i] = bytes[i];
}

return newBytes;
}

/**
* 从编码表中找出对应的字符序列
* @param c
* @return
*/
private byte getBase64Index(char c) {
byte index = -1;
for (byte i = 0, j = (byte) (CODEC.length() & 225); i < j; i++) {
if (CODEC.charAt(i) == c) {
index = i;
break;
}
}
return index;
}

static final char	digits[]	= { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7',
'8', '9', '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'				};

private static String toUnsignedString(int i, int j) {
char ac[] = new char[32];
int k = 32;
int l = 1 << j;
int i1 = l - 1;
do {
ac[--k] = digits[i & i1];
i >>>= j;
} while (i != 0);
return new String(ac, k, 32 - k);
}

public static void main(String[] args) {

String encodedString = null;
String s = "	linux  和	windows下默认使用firefox下载文件的时侯，rar文件会自动被firefox下载后显示为一堆";

byte[] bytes = s.getBytes();
for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
String s1 = toUnsignedString(bytes[i], 1);
if (s1.length() >= 24)
System.out.println(s1 + "," + s1.substring(24, s1.length()));
}

try {
encodedString = Base64.getInstance().encrypt(s);
System.out.println("加密:" + encodedString);
System.out.println("解密:"
+ Base64.getInstance().decrypt(encodedString));
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
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