Java实现加密（五）Base64编码

Base64 在线编码/解码： https://base64.us/

一、Base64是怎么诞生的

• 互联网发展早期，电子邮件是最有效的应用。
• 电子邮件的 SMTP 传输协议在早期，只能用于传送 7 位的 ASCII 码，而ASCII码就是基于英语设计的，对于非英语国家的文字等资源就无法发送。
• 为了解决这个问题，后来有了通用互联网邮件扩充协议 MIME ，这是一种用于在互联网上传输数据的标准，增加了邮件主题结构，定义了邮件、文本、音频、图像和多媒体文件等非ASCII码的编码传输规则。
• Base64是MIME的一种编码方式。MIME规范中定义了Base64编码作为一种可靠的方式，用于在文本协议中表示二进制数据。通过使用Base64编码，可以将二进制数据转换为可打印字符，从而保证数据在传输过程中不受损失，并且能够被各种文本协议（如SMTP、HTTP）正确处理。
• 在MIME中，当需要在文本协议中传输二进制数据（如邮件附件或图片数据）时，通常会将数据先进行Base64编码，然后将编码后的数据作为文本内容进行传输。

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二、Base64定义

Base64 是一种用64个字符（a-z, A-Z, 0-9, +, /）来表示任意二进制数据的方法。

Base64 是一种索引编码，由于 2^6=64，所以每 6 个比特为一个单元，对应某个可打印字符,每个字符都对应一个索引。

索引和打印字符的对应关系如下：

索引	对应字符	索引	对应字符	索引	对应字符	索引	对应字符
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	/

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三、Base64原理

Base64 编码要求把 3 个 8 位的字节（3*8=24）转化为 4 个 6 位的字节（4*6=24），之后在 6 位的前面补两个 0，形成 8 位一个字节的形式。 如果剩下的字符不足 3 个字节，则用 0 填充，输出字符使用 =，因此编码后输出的文本末尾可能会出现 1 或 2 个 =。

为了保证所输出的编码位可读字符，Base64 制定了一个编码表，以便进行统一转换。编码表的大小为 2^6=64，这也是 Base64 名称的由来。

1.ASCII码转Base64（字节数 % 3 == 0）

ASCII是8位一个字节，Base64是6位一个字节，

3个字节的ASCII编码刚好等于4个字节的Base64编码，3 * 8 = 4 * 6 = 24

示例：

• ASCII编码：you
• Base64编码：eW91

2.ASCII码转Base64（字节数 % 3 == 2）

ASCII是8位一个字节，Base64是6位一个字节，

2个字节的ASCII编码补2位零等于3个字节的Base64编码，不足4个字节的Base64编码使用 = 代替一个字节来补齐，2 * 8 + 2 = 3 * 6 = 18

示例：

• ASCII编码：yo
• Base64编码：eW8=

3.ASCII码转Base64（字节数 % 3 == 1）

ASCII是8位一个字节，Base64是6位一个字节，

1个字节的ASCII编码补4位零等于2个字节的Base64编码，不足4个字节的Base64编码使用 = 代替一个字节来补齐，1 * 8 + 4 = 2 * 6 = 12

示例：

• UTF8编码：y
• Base64编码：eQ==

4.UTF-8转Base64

UTF-8是8位一个字节，Base64是6位一个字节，

UTF-8里中文是三个字节，所以一个UTF-8编码的中文刚好可以转换为4个字节的Base64编码。3 * 8 = 4 * 6 = 24

示例：

• ASCII编码：中
• Base64编码：5Lit

首先，由于系统中默认字符串的编码格式为 unicode，需要将字符串 中 转换为 utf-8 格式的二进制数组：

/**
 * 字节数组 转 二进制字符串
 * @param bytes 高位 到 低位
 * @return 二进制字符串
 */
public static String byteToBinStr2(byte[] bytes) {
    StringBuilder s1 = new StringBuilder();
    for (byte aByte : bytes) {
        s1.append(Long.toBinaryString((aByte & 0xFF) + 0x100).substring(1));
    }
    return s1.toString();
}

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(byteToBinStr2("中".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
}

执行结果：

每8位1字节分隔得到：

11100100 10111000 10101101

Base64编码：

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四、Java实现Base64编解码

1.方法一：DatatypeConverter（JDK6）

使用 jdk 自带的 DatatypeConverter.java 类实现，但是 jdk 版本必须 >= 1.6。

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;

编码：

/**
 * base64 编码（方法一）
 * @explain DatatypeConverter.java实现
 * @param str 待编码字符串
 * @return 编码字符串
 */
public static String encode(String str) {
    // base64字符串
    String base64Str = "";
    try {
        // 非字符串才进行编码
        if (str != null && str.length() > 0) {
        	// String 转 byte[]
        	byte[] bytes = str.getBytes("utf-8");
            // 编码
            base64Str = DatatypeConverter.printBase64Binary(bytes);
        }
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return base64Str;
}

解码：

/**
 * base解码（方法一）
 * @explain DatatypeConverter.java实现
 * @param base64Str 待解码字符串
 * @return 解码字符串
 */
public static String decode(String base64Str) {
    // 解码后的字符串
    String str = "";
    // 非空字符串才进行解码
    if (base64Str != null && base64Str.length() > 0) {
        // 解码
        byte[] base64Bytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary(base64Str);
        try {
            // byte[] 转 String
            str = new String(base64Bytes, "utf-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    return str;
}

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    String s = "y";
    String base64Str = encode2(s);
    System.out.println("原文：" + s);
    System.out.println("base64编码后（方法一）：" + base64Str);
    System.out.println("base64解码后（方法一）：" + decode2(base64Str));
}

执行结果：

2.方法二：Base64（JDK8）

使用 jdk 自带的 Base64.java 类实现，但是 jdk 版本必须 >= 1.8。

import java.util.Base64;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

编码：

/**
 * base64编码（方法二）
 * @explain Base64.java实现
 * @param str 待编码字符串
 * @return 编码字符串
 */
public static String encode2(String str) {
    // 非空字符串才进行编码
    if (str != null && str.length() > 0) {
        // String 转 byte[]
        byte[] bytes = str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // 编码（base64字符串）
        return Base64.getEncoder().encodeToString(bytes);
    }
    return "";
}

解码：

/**
 * base64解码（方法二）
 * @explain Base64.java实现
 * @param base64Str 待解码字符串
 * @return 解码字符串
 */
public static String decode2(String base64Str) {
    // 非空字符串才进行解码
    if (base64Str != null && base64Str.length() > 0) {
        // 编码
        byte[] base64Bytes = Base64.getDecoder().decode(base64Str);
        // byte[] 转 String（解码后的字符串）
        return new String(base64Bytes, StandardCharsets.UTF_8);
    }
    return "";
}

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    String s = "y";
    String base64Str = encode2(s);
    System.out.println("原文：" + s);
    System.out.println("base64编码后（方法二）：" + base64Str);
    System.out.println("base64解码后（方法二）：" + decode2(base64Str));
}

执行结果：

3.方法三：commons工具包

<dependency>
	<groupId>commons-codecgroupId>
    <artifactId>commons-codecartifactId>
    <version>1.15version>
dependency>

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

编码：

/**
 * base64编码（方法三）
 * @explain commons工具包实现
 * @param str 待编码字符串
 * @return 编码字符串
 */
public static String encode3(String str) {
    // 非空字符串才进行编码
    if (str != null && str.length() > 0) {
        // String 转 byte[]
        byte[] bytes =  str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // 编码（base64字符串）
        return Base64.encodeBase64String(bytes).replaceAll(" \r\n", "");
    }
    return "";
}

解码：

/**
 * base64解码（方法三）
 * @explain commons工具包实现
 * @param base64Str 待解码字符串
 * @return 解码字符串
 */
public static String decode3(String base64Str) {
    // 非空字符串才进行解码
    if (base64Str != null && base64Str.length() > 0) {
        // 解码
        byte[] base64Bytes = Base64.decodeBase64(base64Str);
        // byte[] 转 String（解码后的字符串）
        return new String(base64Bytes, StandardCharsets.UTF_8);
    }
    return "";
}

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    String s = "y";
    String base64Str = encode3(s);
    System.out.println("原文：" + s);
    System.out.println("base64编码后（方法三）：" + base64Str);
    System.out.println("base64解码后（方法三）：" + decode3(base64Str));
}

执行结果：

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五、总结

执行结果：方法一、方法二、方法三一致

效率：快–>慢：方法二 > 方法一 > 方法三

因此，如果项目用的是 jdk1.8，最佳选择是方法二；jdk1.6，最佳选择是方法一。

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六、补充：JS实现Base64编解码

JavaScript 提供了两个原生的方法，用来处理Base64编码：btoa() 和 atob()

• btoa()：Base64编码。
• atob()：Base64解码。

以上两个方法如果操作的字符串不是 ASCII 编码会报错：

例如：btoa('中')

VM707:1 Uncaught DOMException: Failed to execute ‘btoa’ on ‘Window’: The string to be encoded contains characters outside of the Latin1 range.

可以使用这两个方法，将非ASCII码的字符作为URI组件进行编码，然后再进行Base64编码。

• encodeURIComponent()：作为URI组件进行编码。
• decodeURIComponent()：作为URI组件进行解码。

综上所述，适用于所有情况（ASCII码+非ASCII码）的Base64编解码方法如下：

• btoa(encodeURIComponent(待编码内容))：Base64 编码。
• decodeURIComponent(atob(待解码内容))：Base64 解码。

注意：这种方法和UTF-8格式的加密不能通用。

执行结果：

整理完毕，完结撒花~

参考地址：

1.Base64编码知识详解，https://baijiahao.baidu.com/s?id=1735577033729027737&wfr=spider&for=pc

2.什么是base64，https://zhuanlan.zhihu.com/p/76666060

3.Base64 编码/解码 | 菜鸟工具，https://c.runoob.com/front-end/693/

4.java base64编码、解码的三种方式，https://blog.51cto.com/u_15964717/6093954