很長時間沒有更新個人博客了，因爲前一段時間在換工作，入職了一家新的公司，剛開始需要適應一下新公司的節奏，開始階段也比較忙。新公司還是有一定的技術氣氛的，每週都會有技術分享，而且還會給大家留一些思考題，這次的思考題就是讓我們回去實現一個Base32的編碼和解碼。
這可怎麼辦？Base64也就知道個大概，Base32怎麼實現呀？回去一頓惡補，查資料，看Base64源碼，最後終於將Base32實現了。
Base64是幹什麼用的
要寫Base32，就要先理解Base64，那麼Base64是幹什麼用的呢？爲什麼要有Base64呢？這個是根本原因，把Base64產生的過程搞清楚了，那麼Base32，我們就可以依葫蘆畫瓢了。
我們知道在計算機中，數據的單位是字節byte，它是由8位2進制組成的，總共可以有256個不同的數。那麼這些二進制的數據要怎麼進行傳輸呢？我們要將其轉化爲ASCII字符，ASCII字符中包含了33個控制字符（不可見）和95個可見字符，我們如果能將這些二進制的數據轉化成這95個可見字符，就可以正常傳輸了。於是，我們從95個字符中，挑選了64個，將2進制的數據轉化爲這個64個可見字符，這樣就可以正常的傳輸了，這就是Base64的由來。那這64個字符是什麼呢？
這就是Base64的那64個字符。那麼如果我們要實現Base32呢？對了，我們要挑選出32個可見字符，具體如下：
private static final char[] toBase32 = {
'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',
'0', '1', '2', '3', '4', '5'
};
我們挑選了大寫的A-Z，再加上0-5，一共32個可見字符。
Base32是什麼規則
好了，32個可見字符已經選好了，接下來就是將2進制轉化成這32個字符的過程。我們先來看一下Base64是一個什麼樣的轉化過程，我們一個字節是8位，而64是2的6次方，也即是一個字節（8位）的數據，我們要截取其中的6位進行編碼，取到其可見字符。那麼剩餘的2位數怎麼辦呢？它將和下一個自己的前4位組成一個6位的數據進行編碼。那麼我們需要多少字節才能得到一個完整的不丟位的編碼呢？我們要取6和8的最小公倍數，也就是24，24位恰好是3個字節，如果取6位進行編碼，則可以取到4個編碼。我們看看下面的圖就可以更好地理解了，
- M，a，n對應的ASCII碼分別是77，97，110。
- 對應的二進制是01001101，01100001，01101110。
- 然後我們按照6位截取，恰好能夠截取4個編碼，對應的6位二進制分別爲：010011，010110，000101，101110。
- 對應的64位編碼爲：T，W，F，u。
同理，如果我們要實現Base32怎麼辦呢？32是2的5次方，那麼我們再進行2進制截位時，要一次截取5位。那麼一個字節8位，截取了5位，剩下的3位怎麼辦？同理和下一個字節的前2位組成一個新的5位。那麼多少個字節按照5位截取才能不丟位呢？我們要取5和8的最小公倍數，40位，按照5位截取，正好得到8個編碼。40位，正好5個字節，所以我們要5個字節分爲一組，進行Base32的編碼。如下圖：
對比前面的Base64，Base32就是按照5位去截取，然後去編碼表中找到對應的字符。好了，原理我們明白了，下面進入程序階段。
寫程序階段
原理明白了，程序怎麼寫呢？這也就是程序猿的價值所在，把現實中的規則、功能、邏輯用程序把它實現。但是實現Base32也是比較難的，不過有先人給我們留下了Base64，我們參照Base64去實現Base32就容易多了。
Base32編碼
首先，我們要根據輸入字節的長度，確定返回字節的長度，以上面爲例，輸入字節的長度是5，那麼Base32轉碼後的字節長度就是8。那麼如果輸入字節的長度是1，返回結果的字節長度是多少呢？這就需要補位了，也就是說輸入字節的長度不是5的倍數，我們要進行補位，將其長度補成5的倍數，這樣編碼以後，返回字節的長度就是8的倍數。這樣做，我們不會丟失信息，比如，我們只輸入了一個字節，是8位，編碼時，截取了前5位，那麼剩下的後3位怎麼辦？不能捨棄吧，我們要在其後面補足40位，補位用0去補，前面截取有剩餘的位數再加上後面補位的0，湊成5位，再去編碼。其餘的，全是0的5位二進制，我們編碼成“=”，這個和Base64是一樣的。
好了，我們先來看看編碼後返回字節的長度怎麼計算。
//返回結果的數組長度
int rLength = 8 * ((src.length + 4) / 5);
//返回結果
byte[] result = new byte[rLength];
- 其中src是輸入的字節數組；
- 返回長度的公式我們要仔細看一下，對5取整，再乘以8，這是一個最基本的操作，我們用上面的例子套一下，輸入字節的長度是5個字節，8*(5/5) = 8，需要返回8個字節。我們再來看看加4的作用，比如我們輸入的是1個字節，那麼返回幾個字節呢？按照前面的要求，如果二進制長度不滿40位，要補滿40位，也就是輸入字節的長度要補滿成5的整數倍。這裏先加4再對5取整，就可以補位後可以進行完整編碼的個數，然後再乘以8，得到返回的字節數。大家可以隨便想幾個例子，驗證一下結果對不對。
- 然後我們定義返回結果的數組。
返回結果的數組長度已經確定了，接下來我們做什麼呢？當然是編碼的工作了，這裏我們分爲兩個步驟：
- 先處理可以正常進行編碼的那些字節，也就是滿足5的倍數的那些字節，這些字節可以進行5字節到8字節轉換的，不需要進行補位。
- 然後處理最後幾位，這些是需要補位的，將其補成5個字節。
編碼的步驟已經確定了，下面要確定可以正常編碼的字節長度，以及需要補位的長度，如下：
//正常轉換的長度
int normalLength = src.length / 5 * 5;
//補位長度
int fillLength = (5 - (src.length % 5)) % 5;
又是兩個計算公式，我們分別看一下：
- 可以正常編碼的字節長度，對5取整，再乘以5，過濾掉最後不滿足5的倍數的字節，這些過濾掉的字節需要補位，滿足5個字節；
- 這一步就是計算最後需要補幾位才能滿足5的倍數，最後可以得到需要補位的長度，如果輸入字節的長度恰好是5的倍數，不需要補位，則計算的結果是0，大家可以驗證一下這兩個公式。
接下來，我們處理一下可以正常編碼的字節，如下：
//輸入字節下標
int srcPos = 0;
//返回結果下標
int resultPos = 0;
while (srcPos < normalLength) {
long bits = ((long)(src[srcPos++] & 0xff)) << 32 |
(src[srcPos++] & 0xff) << 24 |
(src[srcPos++] & 0xff) << 16 |
(src[srcPos++] & 0xff) << 8 |
(src[srcPos++] & 0xff);
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)((bits >> 35) & 0x1f)];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)((bits >> 30) & 0x1f)];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)((bits >> 25) & 0x1f)];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)((bits >> 20) & 0x1f)];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)((bits >> 15) & 0x1f)];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)((bits >> 10) & 0x1f)];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)((bits >> 5) & 0x1f)];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(int)(bits & 0x1f)];
}
- 我們先定義輸入字節的下標和返回結果的下標，用作取值與賦值；
- 再寫個while循環，只要輸入的字節下標在正常轉換的範圍內，就可以正常的編碼；
- 接下來看看while循環的處理細節，我們先要將5個字節拼成一個40位的二進制，在程序中，我們通過位移運算和
|或運算得到一個long型的數字，當然它的二進制就是我們用5個字節拼成的。 - 這裏有個坑要和大家說明一下，我們第一個字節位移的時候用long轉型了，爲什麼？因爲int型在Java中佔4個字節，32位，我們左移32位後，它會回到最右側的位置。而long佔64位，我們左移32位是不會循環的。這一點大家要格外注意。
- 接下來就是將這40位的二進制進行分拆，同樣通過位移操作，每次從左側截取5位，我們分別向右移動35、30、25、20、15、10、5、0，然後將其和
0x1f進行與操作，0x1f是一個16進制的數，其二進制是0001 1111，對了，就是5個1，移位後和0x1f進行與操作，只留取最右側的5位二進制，並計算其數值，然後從32位編碼表中找到對應的字符。
可以正常編碼的部分就正常結束了，大家要多多理解位移符號的運用。接下來，我們再看看結尾字節的處理。先上代碼：
if (fillLength > 0) {
switch (fillLength) {
case 1:
int normalBits1 = (src[srcPos] & 0xff) << 24 |
(src[srcPos+1] & 0xff) << 16 |
(src[srcPos+2] & 0xff) << 8 |
(src[srcPos+3] & 0xff);
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits1 >> 27) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits1 >> 22) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits1 >> 17) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits1 >> 12) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits1 >> 7) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits1 >> 2) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits1 << 3) & 0x1f];
result[resultPos++] = '=';
break;
case 2:
int normalBits2 = (src[srcPos] & 0xff) << 16 |
(src[srcPos+1] & 0xff) << 8 |
(src[srcPos+2] & 0xff);
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits2 >> 19) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits2 >> 14) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits2 >> 9) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits2 >> 4) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits2 << 1) & 0x1f];
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
break;
case 3:
int normalBits3 = (src[srcPos] & 0xff) << 8 |
(src[srcPos+1] & 0xff);
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits3 >> 11) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits3 >> 6) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits3 >> 1) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits3 << 4) & 0x1f];
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
break;
case 4:
int normalBits4 = (src[srcPos] & 0xff) ;
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits4 >> 3) & 0x1f];
result[resultPos++] = (byte) toBase32[(normalBits4 << 2) & 0x1f];
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
result[resultPos++] = '=';
break;
}
}
fillLength就是需要補位的位數，如果等於0，我們就不需要補位了。大於0就需要進行補位。- 需要補位的情況，我們分爲4種，分別爲：補1位、補2位、補3位和補4位。
- 我嗯先看看補1位的情況，需要補1位，說明之前剩下4個字節，我們先將這4個字節拼起來，那麼第一個字節要向左移動24位，這個和正常情況下第一個字節向左移動的位數是不一樣的。剩餘的字節分別向左移動相應的位數，大家可以參照程序計算一下。
- 然後將得到的32位二進制數，從最高位每次截取5位，每次向右移動位數分別爲27、22、17、12、7、2，注意，最後剩下2位，不足5位，我們要向左移動3位。移位後要和
0x1f進行與操作，這個作用和前面是一樣的，這裏不贅述了。然後將得到的數字在32位編碼表中，去除對應的字符。 - 剩下的位數我們統一使用
=進行補位。 - 其他的需要補1位、補2位和補3位的情況，我們重複步驟3-步驟5，裏邊具體的移動位數有所區別，需要大家仔細計算。
整個的編碼過程到這裏就結束了，我們將result數組返回即可。
總結
到這裏，Base32的編碼就實現了，大家可以運行一下，這裏就不演示了。整個的實現過程大家感覺怎麼樣，我們總結一下，
- 原理，不知道其原理，我們就沒有辦法寫程序。
- 定義32位字符編碼表，大家可以根據個人喜好進行定義，沒有標準，只要是可見字符就可以。
- 寫程序時，要注意正常位數的計算，補位位數的計算，以及左移右移，都是需要大家仔細思考的。
好了，Base32編碼的過程就結束了，還缺少解碼的過程，我們有時間再補上吧～