關於base64編碼的原理及實現

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我們的圖片大部分都是可以轉換成base64編碼的data：image。 這個在將canvas保存爲img的時候尤其有用。雖然除ie外，大部分現代瀏覽器都已經支持原生的基於base64的encode和decode，例如btoa和atob。（將canvas畫布保存成img並強制改變mimetype進行下載，會在下一篇記錄）

但是處於好奇心，還是驅使我去了解下base64編碼的原理。以便也在不支持原生base64編碼的ie下可以得以實現。

【Base64】
-base64的編碼都是按字符串長度，以每3個8bit的字符爲一組，
-然後針對每組，首先獲取每個字符的ASCII編碼，
-然後將ASCII編碼轉換成8bit的二進制，得到一組3*8=24bit的字節
-然後再將這24bit劃分爲4個6bit的字節，並在每個6bit的字節前面都填兩個高位0，得到4個8bit的字節
-然後將這4個8bit的字節轉換成10進制，對照Base64編碼表 （下表），得到對應編碼後的字符。

（注：1. 要求被編碼字符是8bit的，所以須在ASCII編碼範圍內，\u0000-\u00ff，中文就不行。
　　　2. 如果被編碼字符長度不是3的倍數的時候，則都用0代替，對應的輸出字符爲=）

Base64 編碼表
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	/

比如舉下面2個例子：
a) 字符長度爲能被3整除時：比如“Tom” ：

            T           o           m
ASCII:      84          111         109
8bit字節:   01010100    01101111    01101101
6bit字節:     010101      000110      111101      101101
十進制:     21          6           61          45
對應編碼:   V           G           9           t  

所以，btoa('Tom') = VG9t

b) 字符串長度不能被3整除時，比如“Lucy”：  (如果被編碼字符長度不是3的倍數的時候，則都用0代替，對應的輸出字符爲=)

            L           u           c           y
ASCII:      76          117         99          121
8bit字節:   01001100    01110101    01100011    01111001      00000000    00000000  (補足3的倍數  x*3*8=y*4*6)
6bit字節:     010011      000111      010101      100011      011110  010000  000000  000000
十進制:     19          7           21          35             30      16      (異常) (異常)      
對應編碼:   T           H           V           j               e       Q       =       =

由於Lucy只有4個字母，所以按3個一組的話，第二組還有兩個空位，所以需要用0來補齊。這裏就需要注意，因爲是需要補齊而出現的0，所以轉化成十進制的時候就不能按常規用base64編碼表來對應，所以不是a， 可以理解成爲一種特殊的“異常”，編碼應該對應“=”。

有了上面的理論，那我們實現一個base64編碼就容易了。

轉  http://chhj-292.iteye.com/blog/379700

package com.******.framework.util.encrpytion;

/**
 * 
 * @author 
 * @version 
 */
public final class Base64 implements IEncrypt {
	/**
	 * 標準base64編碼表
	 */
	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;
		/*
		 一次處理3個字節，3*8 == 4*6 的運算規則來進行重新編碼
		 
		 該方法中的*&63,*&15,*&3操作的意義如下：
		 計算機中byte數據類型存儲的64形式如下：11111111
		 計算機中byte數據類型存儲的15形式如下：1111，即 2^3 + 2^2 + 2^1 + 2^0 = 15
		 “&”、“與”，運算這裏主要進行高位清零操作。
		 */
		for (i = 0; i < (bytes.length - (bytes.length % 3)); i += 3) {

			//第一個字節，根據源字節的第一個字節處理。
			//規則：源第一字節右移兩位，去掉低2位，高2位補零。
			//既：00 + 高6位
			pos = (byte) ((bytes[i] >> 2) & 63);
			s.append(CODEC.charAt(pos));

			//第二個字節，根據源字節的第一個字節和第二個字節聯合處理。
			//規則如下，第一個字節高6位去掉左移四位，第二個字節右移四位
			//即：源第一字節低2位 + 源第2字節高4位
			pos = (byte) (((bytes[i] & 3) << 4) + ((bytes[i + 1] >> 4) & 15));
			s.append(CODEC.charAt(pos));

			//第三個字節，根據源字節的第二個字節和第三個字節聯合處理，
			//規則第二個字節去掉高4位並左移兩位（得高6位），第三個字節右移6位並去掉高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));

			//第四個字節，規則，源第三字節去掉高2位即可
			pos = (byte) (((bytes[i + 2]) & 63));
			s.append(CODEC.charAt(pos));

			//根據base64的編碼規則，每76個字符需要一個換行
			//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) {
				//分出第一個二進制位的前6位，右移兩位，得到一個新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位的後兩位，然後左移4位，得到一個新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編碼的字符長度必須爲4的倍數   
		if (buf.length() % 4 != 0) {
			throw new Exception("Base64 decoding invalid length");
		}

		//預設的字節數組的長度
		byte[] bytes = new byte[3 * (buf.length() / 4)];
		int index = 0;

		/**
		 * 每4個base64字符代表一個源字符編碼後的字符！
		 * 
		 * 然後每四個字符分別做循環，每個循環左移6位，作爲低6位，該低6位再補上下一個base64字符在base64碼錶中的序列。
		 * 因爲字符在碼錶中的序列小於等於64，即，小於等於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");
				}
				//每次都想高位移動6個位置後再加上新的字符所在base64編碼表中的位置。
				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，且與00..0011111111(32位windows系統)進行and操作，取該高16位的低8位。
			if ((255 & (nGroup >> 8)) == 0) {
				continue;
			}
			bytes[index] = (byte) (255 & (nGroup >> 8));
			index++;

			//直接與00..0011111111進行and操作，該32位數的低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;
	}

	/**
	 * 從編碼表中找出對應的字符序列
	 * @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下默認使用firefox下載文件的時侯，rar文件會自動被firefox下載後顯示爲一堆";

		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();
		}
	}
}