Base64编码原理与实现

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    Base64编码的原理是按bit将每6个bit转换成Base64编码表中的相应字符。下面是Base64的编码表：

0 A 17 R 34 i 51 z
1 B 18 S 35 j 52 0
2 C 19 T 36 k 53 1
3 D 20 U 37 l 54 2
4 E 21 V 38 m 55 3
5 F 22 W 39 n 56 4
6 G 23 X 40 o 57 5
7 H 24 Y 41 p 58 6
8 I 25 Z 42 q 59 7
9 J 26 a 43 r 60 8
10 K 27 b 44 s 61 9
11 L 28 c 45 t 62 +
12 M 29 d 46 u 63 /
13 N 30 e 47 v
14 O 31 f 48 w
15 P 32 g 49 x
16 Q 33 h 50 y

    在转换到最后一个字节时，可能出现如下两种情况：
    1. 最后只剩下2个bit。
    2. 最后只剩下4个bit。
    对于这两种情况，需要在后面补0，如下面的两个字节：

11011001 11011101

在转换上面的字节时，最后会剩下4个bit。也就是1101，这时需要在后面补0，也就是变成了110100。如果后面补一对0，转换结果后面加一个“=”，如果补两对0，加两个“=”，也就是总共的bit数除3的余数为1，则加一个“=”，余数为2，加两个“=”。上面的两个字节是16个bit，除3的余数是1，因此，需要补一个“=”，也就是将这两个字节分成如下三组：

110110 011101 110100

其中110100后面两个0是补的，因此，查找上面的base64编码表可将这两个字节转换成如下的Base64编码：

2d0 =

下面我们来实现这个算法。算法的基本原理如下：

由于每次转换都需要6个bit，而这6个bit可能都来自一个字节，也可以来自前后相临的两个字节。定义两个变量：prevByteBitCount和nextByteBitCount，这两个变量分别表述从前一个和后一个节字取得的bit数。如果prevByteBitCount为0，表示6个bit全部来自下一个字节的高6位。如果nextByteBitCount = 0，表示6个bit全部来自前一个字节的低6位。最后通过适当的移位获得所需要的6个bit，再在上面的base64编码表中查找相应的字符。算法的实现代码如下：

     public static String encoder( byte [] bytes)
    {
        StringBuilder result = new StringBuilder();
        String base64 = " ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/ " ;
         //   prevByteBitCount表示从前一个字节取得的bit数，nextByteBitCount表示从后一个字节取得的bit数
         int prevByteBitCount = 0 , nextByteBitCount = 6 ;
         //   i表示当前的数组索引，n表示已经处理的位数
         int i = 0 , n = 0 ;
         //   byteCount表示总的位数
         int byteCount = 8 * bytes.length;
         byte b = 0 ;
         while ( true )
        {
             //   处理从前后两个字节取得位数的情况
             if (prevByteBitCount > 0 && nextByteBitCount > 0 )
            {
                 // 将前一个字节的低位向左移nextByteBitCount个bit，并使下一个字节的高位（nextByteBitCount指定的位数）右移到字节的最低位，
                 // 然后将两个位移结果进行逻辑或，也就是将从前一个字节和后一个字节取得的相应的bit合并为一个字节的低位
                b = ( byte ) ((( 0xff & bytes[i]) << nextByteBitCount) | (( 0xff & bytes[i + 1 ]) >> ( 8 - nextByteBitCount)));
                 //   将逻辑或后的结果的最高两个bit置成0
                b = ( byte ) (b & 0x3f );
                prevByteBitCount = 8 - nextByteBitCount;
                nextByteBitCount = 6 - prevByteBitCount;
            }
             //   处理从后一个字节取得高6位的情况
             else if (prevByteBitCount == 0 )
            {
                 //   后一个字节的高6位右移动低6位
                b = ( byte ) (( 0xff & bytes[i]) >> ( 8 - nextByteBitCount));
                 //   处理后面的位时，就是从前一个字节取2个bit，从后一个字字取4个bit
                prevByteBitCount = 2 ;
                nextByteBitCount = 4 ;

            }
             //   处理从前一个字节取得低6位的情况
             else if (nextByteBitCount == 0 )
            {
                 //   将前一个字节的最高两个bit置成0
                b = ( byte ) ( 0x3f & bytes[i]);
                 //   处理后面的位时，从后一个字节取6个bit
                prevByteBitCount = 0 ;
                nextByteBitCount = 6 ;

            }
            result.append(base64.charAt(b));
            n += 6 ;
            i = n / 8 ;
             int remainBitCount = byteCount - n;
             if (remainBitCount < 6 )
            {
                 //   将剩余的bit补0后，仍然需要在base64编码表中查找相应的字符，并添加到结果字符串的最后
                 if (remainBitCount > 0 )
                {
                    b = bytes[bytes.length - 1 ];
                    b = ( byte ) ( 0x3f & (b << ( 6 - remainBitCount)));
                    result.append(base64.charAt(b));
                }
                 break ;
            }
        }
         //   如果总bit数除3的余数为1，加一个“=”，为2，加两个“=”
        n = byteCount % 3 ;
         for (i = 0 ; i < n; i ++ )
            result.append( " = " );

         return result.toString();
    }

最后可以使用下面的代码来验证encoder方法的正确性：

    String s = " 中华人民共和国 " ;
    byte [] bytes = s.getBytes( " UTF-8 " );
    System.out.println(encoder(bytes));
    //   使用jdk提供的base64转换类对字节数组进行base64编码
    sun.misc.BASE64Encoder base64Encoder = new sun.misc.BASE64Encoder();
    System.out.println(base64Encoder.encode(bytes));

上面的代码的执行结果如下：

5Lit5Y2O5Lq65rCR5YWx5ZKM5Zu9
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