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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  作者：欧阳鹏  欢迎转载，与人分享是进步的源泉！

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