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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