Base64的由來

目前Base64已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)上常見的傳輸8Bit字節(jié)代碼的編碼方式之一。在做支付系統(tǒng)時，系統(tǒng)之間的報文交互都需要使用Base64對明文進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，然后再進(jìn)行簽名或加密，之后再進(jìn)行（或再次Base64）傳輸。那么，Base64到底起到什么作用呢？

在參數(shù)傳輸?shù)倪^程中經(jīng)常遇到的一種情況：使用全英文的沒問題，但一旦涉及到中文就會出現(xiàn)亂碼情況。與此類似，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)淖址⒉蝗强纱蛴〉淖址?#xff0c;比如二進(jìn)制文件、圖片等。Base64的出現(xiàn)就是為了解決此問題，它是基于64個可打印的字符來表示二進(jìn)制的數(shù)據(jù)的一種方法。

電子郵件剛問世的時候，只能傳輸英文，但后來隨著用戶的增加，中文、日文等文字的用戶也有需求，但這些字符并不能被服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)有效處理，因此Base64就登場了。隨之，Base64在URL、Cookie、網(wǎng)頁傳輸少量二進(jìn)制文件中也有相應(yīng)的使用。

Base64的編碼原理

Base64的原理比較簡單，每當(dāng)我們使用Base64時都會先定義一個類似這樣的數(shù)組：

['A', 'B', 'C', ... 'a', 'b', 'c', ... '0', '1', ... '+', '/']

上面就是Base64的索引表，字符選用了"A-Z、a-z、0-9、+、/" 64個可打印字符，這是標(biāo)準(zhǔn)的Base64協(xié)議規(guī)定。在日常使用中我們還會看到“=”或“==”號出現(xiàn)在Base64的編碼結(jié)果中，“=”在此是作為填充字符出現(xiàn)，后面會講到。

具體轉(zhuǎn)換步驟

• 第一步，將待轉(zhuǎn)換的字符串每三個字節(jié)分為一組，每個字節(jié)占8bit，那么共有24個二進(jìn)制位。
• 第二步，將上面的24個二進(jìn)制位每6個一組，共分為4組。
• 第三步，在每組前面添加兩個0，每組由6個變?yōu)?個二進(jìn)制位，總共32個二進(jìn)制位，即四個字節(jié)。
• 第四步，根據(jù)Base64編碼對照表（見下圖）獲得對應(yīng)的值。

0　A　　17　R　　　34　i　　　51　z1　B　　18　S　　　35　j　　　52　02　C　　19　T　　　36　k　　　53　13　D　　20　U　　　37　l　　　54　24　E　　21　V　　　38　m　　　55　35　F　　22　W　　　39　n　　　56　46　G　　23　X　　　40　o　　　57　57　H　　24　Y　　　41　p　　　58　68　I　　25　Z　　　42　q　　　59　79　J　　26　a　　　43　r　　　60　810　K　　27　b　　　44　s　　　61　911　L　　28　c　　　45　t　　　62　+12　M　　29　d　　　46　u　　　63　/13　N　　30　e　　　47　v14　O　　31　f　　　48　w　　　15　P　　32　g　　　49　x16　Q　　33　h　　　50　y

從上面的步驟我們發(fā)現(xiàn)：

• Base64字符表中的字符原本用6個bit就可以表示，現(xiàn)在前面添加2個0，變?yōu)?個bit，會造成一定的浪費。因此，Base64編碼之后的文本，要比原文大約三分之一。
• 為什么使用3個字節(jié)一組呢？因為6和8的最小公倍數(shù)為24，三個字節(jié)正好24個二進(jìn)制位，每6個bit位一組，恰好能夠分為4組.

示例說明

以下圖的表格為示例，我們具體分析一下整個過程。

• 第一步：“M”、“a”、"n"對應(yīng)的ASCII碼值分別為77，97，110，對應(yīng)的二進(jìn)制值是01001101、01100001、01101110。如圖第二三行所示，由此組成一個24位的二進(jìn)制字符串。
• 第二步：如圖紅色框，將24位每6位二進(jìn)制位一組分成四組。
• 第三步：在上面每一組前面補兩個0，擴展成32個二進(jìn)制位，此時變?yōu)樗膫€字節(jié)：00010011、00010110、00000101、00101110。分別對應(yīng)的值（Base64編碼索引）為：19、22、5、46。
• 第四步：用上面的值在Base64編碼表中進(jìn)行查找，分別對應(yīng)：T、W、F、u。因此“Man”Base64編碼之后就變?yōu)?#xff1a;TWFu。

位數(shù)不足情況

上面是按照三個字節(jié)來舉例說明的，如果字節(jié)數(shù)不足三個，那么該如何處理？

• 兩個字節(jié)：兩個字節(jié)共16個二進(jìn)制位，依舊按照規(guī)則進(jìn)行分組。此時總共16個二進(jìn)制位，每6個一組，則第三組缺少2位，用0補齊，得到三個Base64編碼，第四組完全沒有數(shù)據(jù)則用“=”補上。因此，上圖中“BC”轉(zhuǎn)換之后為“QKM=”；
• 一個字節(jié)：一個字節(jié)共8個二進(jìn)制位，依舊按照規(guī)則進(jìn)行分組。此時共8個二進(jìn)制位，每6個一組，則第二組缺少4位，用0補齊，得到兩個Base64編碼，而后面兩組沒有對應(yīng)數(shù)據(jù)，都用“=”補上。因此，上圖中“A”轉(zhuǎn)換之后為“QQ==”；

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C++ 編解碼示例

//類型宏定義 typedef unsigned char uint8; typedef unsigned long uint32;//定義編碼字典 static uint8 alphabet_map[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/"; //定義解碼字典 static uint8 reverse_map[] ={255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255,255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255,255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 255, 62, 255, 255, 255, 63,52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 255, 255, 255, 255, 255, 255,255, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14,15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 255, 255, 255, 255, 255,255, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40,41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 255, 255, 255, 255, 255};/* * 編碼 * 傳入需要編碼的數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)長度 * 返回:解碼后的數(shù)據(jù) */ uint8* base64_encode(const uint8 *text, uint32 text_len) {//計算解碼后的數(shù)據(jù)長度//由以上可知 Base64就是將3個字節(jié)的數(shù)據(jù)(24位)，拆成4個6位的數(shù)據(jù)，然后前兩位補零//將其轉(zhuǎn)化為0-63的數(shù)據(jù) 然后根據(jù)編碼字典進(jìn)行編碼int encode_length = text_len/3*4;if(text_len%3>0){encode_length += 4;}//為編碼后數(shù)據(jù)存放地址申請內(nèi)存uint8 *encode = (uint8*)malloc(encode_length);//編碼uint32 i, j;for (i = 0, j = 0; i+3 <= text_len; i+=3){encode[j++] = alphabet_map[text[i]>>2]; //取出第一個字符的前6位并找出對應(yīng)的結(jié)果字符encode[j++] = alphabet_map[((text[i]<<4)&0x30)|(text[i+1]>>4)]; //將第一個字符的后2位與第二個字符的前4位進(jìn)行組合并找到對應(yīng)的結(jié)果字符encode[j++] = alphabet_map[((text[i+1]<<2)&0x3c)|(text[i+2]>>6)]; //將第二個字符的后4位與第三個字符的前2位組合并找出對應(yīng)的結(jié)果字符encode[j++] = alphabet_map[text[i+2]&0x3f]; //取出第三個字符的后6位并找出結(jié)果字符}//對于最后不夠3個字節(jié)的 進(jìn)行填充if (i < text_len){uint32 tail = text_len - i;if (tail == 1){encode[j++] = alphabet_map[text[i]>>2];encode[j++] = alphabet_map[(text[i]<<4)&0x30];encode[j++] = '=';encode[j++] = '=';}else //tail==2{encode[j++] = alphabet_map[text[i]>>2];encode[j++] = alphabet_map[((text[i]<<4)&0x30)|(text[i+1]>>4)];encode[j++] = alphabet_map[(text[i+1]<<2)&0x3c];encode[j++] = '=';}}return encode; }uint8* base64_decode(const uint8 *code, uint32 code_len) {//由編碼處可知，編碼后的base64數(shù)據(jù)一定是4的倍數(shù)個字節(jié)assert((code_len&0x03) == 0); //如果它的條件返回錯誤，則終止程序執(zhí)行。4的倍數(shù)。//為解碼后的數(shù)據(jù)地址申請內(nèi)存uint8 *plain = (uint8*)malloc(code_len/4*3);//開始解碼uint32 i, j = 0;uint8 quad[4];for (i = 0; i < code_len; i+=4){for (uint32 k = 0; k < 4; k++){quad[k] = reverse_map[code[i+k]];//分組，每組四個分別依次轉(zhuǎn)換為base64表內(nèi)的十進(jìn)制數(shù)}assert(quad[0]<64 && quad[1]<64);plain[j++] = (quad[0]<<2)|(quad[1]>>4); //取出第一個字符對應(yīng)base64表的十進(jìn)制數(shù)的前6位與第二個字符對應(yīng)base64表的十進(jìn)制數(shù)的前2位進(jìn)行組合if (quad[2] >= 64)break;else if (quad[3] >= 64){plain[j++] = (quad[1]<<4)|(quad[2]>>2); //取出第二個字符對應(yīng)base64表的十進(jìn)制數(shù)的后4位與第三個字符對應(yīng)base64表的十進(jìn)制數(shù)的前4位進(jìn)行組合break;}else{plain[j++] = (quad[1]<<4)|(quad[2]>>2);plain[j++] = (quad[2]<<6)|quad[3];//取出第三個字符對應(yīng)base64表的十進(jìn)制數(shù)的后2位與第4個字符進(jìn)行組合}}return plain; }

使用：

//獲取文件長度struct stat statbuff;if(stat(filePath.c_str(), &statbuff) < 0){return ;}else{std::cout << statbuff.st_size << std::endl;}//申請一塊內(nèi)存 用于讀取文件數(shù)據(jù)char *filePtr = (char *)malloc(statbuff.st_size);//將文件中的數(shù)據(jù)讀出來int fd = open(filePath.c_str(),O_RDONLY);char buffer[1024];int count = 0;if(fd > 0){memset(buffer,0,1024);int len = 0;while ((len = read(fd,buffer,1000)) >0 ){memcpy(filePtr + count,buffer,len);count += len;}}close(fd);//對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼unsigned char* encodeData = base64_encode((unsigned char*)filePtr,count);//將編碼數(shù)據(jù)放到string中 方便后面求長度data = (char*) encodeData;//對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼unsigned char* encode = base64_decode((unsigned char*).c_str(),(int)data.length());//將數(shù)據(jù)還原重新寫到另外一個文件中int fd_w = open(fileName2,O_CREAT|O_WRONLY,S_IRUSR | S_IWUSR);if(fd_w > 0){write(fd_w,(char*)encode,count);}close(fd_w);

總結(jié)

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