Base64原理及实现

2019/02/03

base64

Base64是用64个字符来表示数据的方法。Base64要求把每三个8Bit的字节转换为四个6Bit的字节，然后把6Bit再添两位高位0，组成四个8Bit的字节，也就是说，转换后的字符串理论上将要比原来的长1/3。如果要转码数据字节不是3的倍数，最后一组填充1到2个0字节，并在最后编码完成后在结尾添加1到2个=号。转换后，我们每个字节范围为[00000000-00111111],所以我们可以用一个64码表来得到我们想要的字符串（也就是最终的Base64编码）标准的Base64用[A-Z,a-z,0-9,+,/]64个字符编码。

编码

深入了解base64前，我们需要先了解编码。编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程。计算机中，所有的数据在存储和运算时都使用二进制示，n位二进制组合成2的n次方个不同的信息，给每个信息规定一个具体码组，这种过程叫编码。而具体用哪些二进制数字表示哪个符号，每个人都可以约定自己的一套编码。

如常用的ASCII是由美国国家标准学会制定的一种单字节字符编码，标准ASCII码使用7位二进制数（剩下的1位二进制为0）来表示所有的大写和小写字母，数字0到9、标点符号。在有的语言中128个符号是不够的，有些编码方案利用字节中闲置的最高位编入新的符号，有的利用两个（GBK等）或更多字节（utf-32等）表示一个符号（汉字）

Base64编码

base64编码过程：

ascii码s133对应的编码115 49 51 51
在内存2进制表示： 01110011 00110001 00110011 00110011
每三组分为6Bit四组011100 110011 000100 110011 001100 110000 000000 000000
高位补0得到 00011100 00110011 00000100 00110011 00001100 00110000 00000000 00000000
对应十进制 28 51 4 51 12 48 0 0
查对照表生成base64码czEzMw==

base64解码过程：

base64编码过程逆向即为解码

javascript代码实现

Base64 = {
  _table: [
    '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',
    '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',
    '6',
    '7',
    '8',
    '9',
    '+',
    '/'
  ],
  _getReg() {
    return new RegExp(`^[${this._table.join('')}]+={0,2}$`);
  },
  encode(bin) {
    const codes = [];
    const binLength = bin.length;
    un = binLength % 3;

    for (let i = 2; i < binLength; i += 3) {
      let c = bin[i - 2] << 16;
      c |= bin[i - 1] << 8;
      c |= bin[i];

      // 0x3f代表16进制数3F即0011 1111
      codes.push(this._table[c >> 18 & 0x3F]);
      codes.push(this._table[c >> 12 & 0x3F]);
      codes.push(this._table[c >> 6 & 0x3F]);
      codes.push(this._table[c & 0x3F]);
    }

    if (un == 1) {
      const c = bin[binLength - 1] << 16;
      codes.push(this._table[c >> 18 & 0x3F]);
      codes.push(this._table[c >> 12 & 0x3F]);
      codes.push('=');
      codes.push('=');
    }
    if (un == 2) {
      let c = bin[binLength - 2] << 16;
      c |= bin[binLength - 1] << 8;
      codes.push(this._table[c >> 18 & 0x3F]);
      codes.push(this._table[c >> 12 & 0x3F]);
      codes.push(this._table[c >> 6 & 0x3F]);
      codes.push('=');
    }

    return codes.join('');
  },
  decode(base64Str) {
    const bin = [];
    const base64StrLen = base64Str.length;

    if (!this._getReg().test(base64Str)) {
      throw 'Base64编码格式错误';
    }
    if (base64StrLen % 4 !== 0) {
      throw 'Base64编码长度错误';
    }

    const eqCount = base64StrLen - base64Str.indexOf('=');

    for (let i = 3; i < base64StrLen; i += 4) {
      let code = 0;

      const [c1, c2, c3, c4] = [base64Str.charAt(i - 3), base64Str.charAt(i - 2), base64Str.charAt(i - 1), base64Str.charAt(i)];

      code = code << 6 | this._table.indexOf(c1);
      code = code << 6 | this._table.indexOf(c2);

      if (c3 !== '=' && c4 !== '=') {
        code = code << 6 | this._table.indexOf(c3);
        code = code << 6 | this._table.indexOf(c4);
      }
      if (c3 !== '=' && c4 === '=') {
        code = code << 6 | this._table.indexOf(c3);
        code = code << 6 | 0;
      }
      if (c3 === '=') {
        code = code << 6 | 0;
        code = code << 6 | 0;
      }

      // 0xff即11111111
      bin.push(code >> 16);
      // 取得低八位
      bin.push(code >> 8 & 0xFF);
      bin.push(code & 0xFF);
    }

    switch (eqCount) {
      case 1:
        bin.pop();
        break;
      case 2:
        bin.pop();
        bin.pop();
        break;
      default:
        break;
    }

    return bin;
  }
};

const str = `1!@#$%^ghghna三个卡就能`;
const ba = Base64.encode(Buffer.from(str));

console.log(`编码前:${str}`); // 1!@#$%^ghghna三个卡就能
console.log(`编码后:${ba}`); // MSFAIyQlXmdoZ2huYeS4ieS4quWNoeWwseiDvQ==
console.log(`解码:${Buffer.from(Base64.decode(ba)).toString()}`); // 1!@#$%^ghghna三个卡就能