一个高效的Base64编解码算法

什么是Base64？

按照RFC2045的定义，Base64被定义为：Base64内容传送编码被设计用来把任意序列的8位字节描述为一种不易被人直接识别的形式。（The Base64 Content-Transfer-Encoding is designed to represent arbitrary sequences of octets in a form that need not be humanly readable.）

为什么要使用Base64？

在设计这个编码的时候，我想设计人员最主要考虑了3个问题：
1.是否加密？
2.加密算法复杂程度和效率
3.如何处理传输？

    加密是肯定的，但是加密的目的不是让用户发送非常安全的Email。这种加密方式主要就是“防君子不防小人”。即达到一眼望去完全看不出内容即可。
基于这个目的加密算法的复杂程度和效率也就不能太大和太低。和上一个理由类似，MIME协议等用于发送Email的协议解决的是如何收发Email，而并不是如何安全的收发Email。因此算法的复杂程度要小，效率要高，否则因为发送Email而大量占用资源，路就有点走歪了。

    但是，如果是基于以上两点，那么我们使用最简单的恺撒法即可，为什么Base64看起来要比恺撒法复杂呢？这是因为在Email的传送过程中，由于历史原因，Email只被允许传送ASCII字符，即一个8位字节的低7位。因此，如果您发送了一封带有非ASCII字符（即字节的最高位是1）的Email通过有“历史问题”的网关时就可能会出现问题。网关可能会把最高位置为0！很明显，问题就这样产生了！因此，为了能够正常的传送Email，这个问题就必须考虑！所以，单单靠改变字母的位置的恺撒之类的方案也就不行了。关于这一点可以参考RFC2046。
基于以上的一些主要原因产生了Base64编码。

算法详解

    Base64编码要求把3个8位字节（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。
具体转化形式间下图：
字符串“张3”
11010101 11000101 00110011

00110101 00011100 00010100 00110011
表1

可以这么考虑：把8位的字节连成一串110101011100010100110011
然后每次顺序选6个出来之后再把这6二进制数前面再添加两个0，就成了一个新的字节。之后再选出6个来，再添加0，依此类推，直到24个二进制数全部被选完。
让我们来看看实际结果：

字符串“张3”
11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5 00110011 HEX:33

00110101 00011100 00010100 00110011
字符’5’ 字符’^/’ 字符’^T’ 字符’3’
十进制53 十进制34 十进制20 十进制51
表2

这样“张3 ”这个字符串就被Base64表示为”5^/^T3”了么？。错！
Base64编码方式并不是单纯利用转化完的内容进行编码。像’^/’字符是控制字符，并不能通过计算机显示出来，在某些场合就不能使用了。Base64有其自身的编码表：

Table 1: The Base64 Alphabet
Value Encoding Value Encoding Value Encoding Value Encoding
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 (pad) =
14 O 31 f 48 w
15 P 32 g 49 x
16 Q 33 h 50 y
表3

这也是Base64名称的由来，而Base64编码的结果不是根据算法把编码变为高两位是0而低6为代表数据，而是变为了上表的形式，如”A”就有7位，而”a”就只有6位。表中，编码的编号对应的是得出的新字节的十进制值。因此，从表2可以得到对应的Base64编码：

字符串“张3”
11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5 00110011 HEX:33

00110101 00011100 00010100 00110011
字符’5’ 字符’^/’ 字符’^T’ 字符’3’
十进制53 十进制34 十进制20 十进制51
字符’1’ 字符’i’ 字符’U’ 字符’z’
表4

这样，字符串“张3”经过编码后就成了字符串“1iUz”了。
Base64将3个字节转变为4个字节，因此，编码后的代码量（以字节为单位，下同）约比编码前的代码量多了1/3。之所以说是“约”，是因为如果代码量正好是3的整数倍，那么自然是多了1/3。但如果不是呢？
细心的人可能已经注意到了，在The Base64 Alphabet中的最后一个有一个(pad) =字符。这个字符的目的就是用来处理这个问题的。
当代码量不是3的整数倍时，代码量/3的余数自然就是2或者1。转换的时候，结果不够6位的用0来补上相应的位置，之后再在6位的前面补两个0。转换完空出的结果就用就用“=”来补位。譬如结果若最后余下的为2个字节的“张”：

字符串“张”
11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5

00110101 00011100 00010100
十进制53 十进制34 十进制20 pad
字符’1’ 字符’i’ 字符’U’ 字符’=’
表6

这样，最后的2个字节被整理成了“1iU=”。
同理，若原代码只剩下一个字节，那么将会添加两个“=”。只有这两种情况，所以，Base64的编码最多会在编码结尾有两个“=”
至于将Base64的解码，只是一个简单的编码的逆过程，读者可以自己探讨。我将在文章的最后给出解码算法。 

以上常识参考RFC2045 、RFC2046 、《奇妙的Base64编码》，罗聪 以及一些来自互联网上的其他资料

算法实现(自己独立完成)

#include <iostream.h>
#include <string.h>
char encodetab[]="ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/=";
char decodetab[124]={0};

//------------------------------------------------------------------------------
void init()
{
 int i=0;
 int j=0;
 for(i=65; i<=90; i++)
  decodetab[i]=j++;
 for(i=97;i<=122; i++)
  decodetab[i]=j++;
 for(i=48;i<=57; i++)
  decodetab[i]=j++;
 decodetab[43]=j++;
 decodetab[47]=j++;
 decodetab[61]=j++;
}

//------------------------------------------------------------------------------
char* encode(const void* buff, int buffsize)
{ 
 const unsigned char* a = (const unsigned char* )buff;
 int alen = buffsize;
 int blen = alen/3*4;
 if(alen%3)
  blen+=4;
 char* b = new char[blen+1];
 memset(b,'/0',blen+1);
 int j=0;
 //-----------------------------------
 for (int i=0; i<=alen-3; i+=3 )
 {
  /*
  //此段代码更为高效，但是由于编译器优化的原因，在VC下需要调整编译器选项方可运行
  b[j] = a[i]>>2;
  b[j+1] = ((a[i]<<6)>>2) | (a[i+1]>>4);
  b[j+2] = ((a[i+1]<<4)>>2) | (a[i+2]>>6);
  b[j+3] = (a[i+2]<<2)>>2;
  */
  b[j] = a[i]>>2;
  b[j+1] = ((a[i]&0x3)<<4) | (a[i+1]>>4);
  b[j+2] = ((a[i+1]&0xf)<<2) | (a[i+2]>>6);
  b[j+3] = a[i+2]&0x3f;
  j+=4;
 }

 int rem =alen %3;
 if (rem == 1 )
 {
  b[j] = a[i]>>2;
  b[j+1] = ((a[i]&0x3)<<4) ;
  b[j+2] = 64;
  b[j+3] = 64;  
 }
 else if(rem ==2)
 {
  b[j] = a[i]>>2;
  b[j+1] = ((a[i]&0x3)<<4) | (a[i+1]>>4);
  b[j+2] = ((a[i+1]&0xf)<<2) ;
  b[j+3] = 64;
 }
 
 //-----------------------------------
 for (j=0; j<blen; j++)
 {
  b[j] = encodetab[b[j]];
 }
 return b; 
}

//------------------------------------------------------------------------------
void* decode(const char *s, int &bufflen)
{
 int chrlen = strlen(s);
 if(chrlen<=0 || chrlen%4)
  return NULL;
 bufflen = chrlen/4*3;
 char* chr = new char[chrlen+1];
 unsigned char* buff = new unsigned char[bufflen];

 int i=0;
 int j=0;
 for(i=0; i<chrlen; i++)
  chr[i] = decodetab[s[i]];

 for(i=0; i<chrlen; i+=4)
 {
  buff[j] = (chr[i]<<2) | (chr[i+1]>>4);
  buff[j+1] = (chr[i+1]<<4) | (chr[i+2]>>2);
  buff[j+2] = (chr[i+2]<<6) | chr[i+3];
  j+=3;
 }

 if(s[chrlen-1] == '=')
  bufflen--;
 if(s[chrlen-2] == '=')
  bufflen--;
 return buff;

}

//------------------------------------------------------------------------------
int main ()
{
 init();
 char *c="此段代码更为高效，但是由于编译器优化的原因，在VC下需要调整编译器选项方可运行";
 char *d = encode(c,strlen(c));
 cout<<d<<endl;
 
 
 int len= 0;
 char *org = (char*)decode(d,len);
 for(int i=0; i<len; i++)
  cout<<*(org+i);
 cout<<endl;

 return 0;
}