Base64编码原理及代码实现

所谓 base64 编码就是从 ASCII 码表中选取64个可打印字符&＃xff08;A-Za-z0-9&＃43;/&＃xff09;作为基本字符集对其它字符进行编码转换。加上作为填充的 “&＃61;” 实际上是 65 个字符。

Base64 产生的原因

要想了解 base64 就得先了解下 ASCII 码表&＃xff0c; ASCII 码表是由以英语为母语的美国制定。英语用128个符号编码就够了&＃xff0c;但是用来表示其他语言&＃xff0c;128个符号是不够的。比如&＃xff0c;在法语中&＃xff0c;字母上方有注音符号&＃xff0c;它就无法用 ASCII 码表示。于是&＃xff0c;一些欧洲国家就决定&＃xff0c;利用字节中闲置的最高位编入新的符号。比如&＃xff0c;法语中的é的编码为130&＃xff08;二进制10000010&＃xff09;。这样一来&＃xff0c;这些欧洲国家使用的编码体系&＃xff0c;可以表示最多256个符号。

但是&＃xff0c;这里又出现了新的问题。不同的国家有不同的字母&＃xff0c;因此&＃xff0c;哪怕它们都使用256个符号的编码方式&＃xff0c;代表的字母却不一样。比如&＃xff0c;130在法语编码中代表了é&＃xff0c;在希伯来语编码中却代表了字母Gimel (ג)&＃xff0c;在俄语编码中又会代表另一个符号。但是不管怎样&＃xff0c;所有这些编码方式中&＃xff0c;0–127表示的符号是一样的&＃xff0c;不一样的只是128–255的这一段。

至于亚洲国家的文字&＃xff0c;使用的符号就更多了&＃xff0c;汉字就多达10万左右。一个字节只能表示256种符号&＃xff0c;肯定是不够的&＃xff0c;就必须使用多个字节表达一个符号。比如&＃xff0c;简体中文常见的编码方式是 GB2312&＃xff0c;使用两个字节表示一个汉字&＃xff0c;所以理论上最多可以表示 256 * 256 &＃61; 65536 个符号。

而在网络上交换数据时&＃xff0c;比如说从A地传到B地&＃xff0c;往往要经过多个路由设备&＃xff0c;由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同&＃xff0c;这样那些不可见字符就有可能被处理错误&＃xff0c;这是不利于传输的。所以就先把数据先做一个 Base64 编码&＃xff0c;统统变成可见字符&＃xff0c;这样出错的可能性就大降低了。

为什么是 Base64&＃xff1f;

为什么是 base64 而不是 base128、base256 呢&＃xff1f;其实原因很简单&＃xff0c;因为在 ASCII 码表中的可打印字符只有 95 个&＃xff0c;所以选取 64 个可打印字符是最为合理的。既然如此&＃xff0c;那是不是也有 base32、base16 呢&＃xff1f;对&＃xff0c;当然可以有。只是目前大多用到的还是 base64 编码。

Base64 编码的理论实现

前面根据 A-Za-z0-9&＃43;/ 字符集可以得到一张索引表&＃xff1a;

Base64 具体编码转换步骤如下&＃xff1a;

1.将待转换的字符串以每 3 个字节分为一组&＃xff0c;1byte &＃61; 8bit&＃xff0c;每一组正好 24 个二进制位。
2.将上面的 24 个二进制位划分为每 6 位一组&＃xff0c;形成 4 组。
3.每组前面加两个 0&＃xff0c;形成 8 位一组&＃xff0c;即 4 个字节。
4.根据上面 Base64 对照表获取对应的值&＃xff0c;形成 Base64 编码。

**举个例子&＃xff1a;**下面表格是以字符串 “Man” 作为原始字符串进行 Base64 编码的过程。

那么你可能会问&＃xff0c;如果我原始字符串少于 3 个字节怎么办呢&＃xff1f;

如果输入原始字符串长度不能被 3 整除的话&＃xff0c;我们需要用 “&＃61;” 对其 Base64 编码进行填充。为什么需要 “&＃61;” 填充呢&＃xff1f;因为 Base64 解码是以 4 位字符一划分的&＃xff0c;如果你不对其进行填充就会导致解码失败。

当原始字符串的二进制位不是 6 的倍数的时候&＃xff0c;我们依然会将其划分为 6 位一组&＃xff0c;然后将最后一组用 0 填充至 6 位&＃xff08;在末尾填充&＃xff09;。

**举个例子&＃xff1a;**下面是对字符串 “AB” 的编码过程&＃xff0c;其编码结果为 “QUI&＃61;”。

注意&＃xff1a;中文字符有很多的编码&＃xff0c;如 UTF-8、GBK、GB2312 等&＃xff0c;不同的编码都会对 Base64 编码产生影响。

源代码

base64.h

/*base64.h*/
#ifndef _BASE64_H
#define _BASE64_H
#include
#include
#include
inline unsigned int BASE64_ENCODE_SIZE(unsigned int len) { // 计算字符串加密后的长度&＃xff08;不包括填充字符 &＃39;&＃61;&＃39;&＃xff09;return ceil(len * 8 / 6);
}
unsigned char *base64encode(const unsigned char *str, unsigned int len);
unsigned char *base64decode(const unsigned char *str, unsigned int len);
#endif


base64.c

#include
#include "base64.h"
#define CHARPAD &＃39;&＃61;&＃39;
extern inline unsigned int BASE64_ENCODE_SIZE(unsigned int);
/* Base64 编码表 */
static const unsigned char base64_table_encode[] &＃61; {&＃39;A&＃39;, &＃39;B&＃39;, &＃39;C&＃39;, &＃39;D&＃39;, &＃39;E&＃39;, &＃39;F&＃39;, &＃39;G&＃39;, &＃39;H&＃39;,&＃39;I&＃39;, &＃39;J&＃39;, &＃39;K&＃39;, &＃39;L&＃39;, &＃39;M&＃39;, &＃39;N&＃39;, &＃39;O&＃39;, &＃39;P&＃39;,&＃39;Q&＃39;, &＃39;R&＃39;, &＃39;S&＃39;, &＃39;T&＃39;, &＃39;U&＃39;, &＃39;V&＃39;, &＃39;W&＃39;, &＃39;X&＃39;,&＃39;Y&＃39;, &＃39;Z&＃39;, &＃39;a&＃39;, &＃39;b&＃39;, &＃39;c&＃39;, &＃39;d&＃39;, &＃39;e&＃39;, &＃39;f&＃39;,&＃39;g&＃39;, &＃39;h&＃39;, &＃39;i&＃39;, &＃39;j&＃39;, &＃39;k&＃39;, &＃39;l&＃39;, &＃39;m&＃39;, &＃39;n&＃39;,&＃39;o&＃39;, &＃39;p&＃39;, &＃39;q&＃39;, &＃39;r&＃39;, &＃39;s&＃39;, &＃39;t&＃39;, &＃39;u&＃39;, &＃39;v&＃39;,&＃39;w&＃39;, &＃39;x&＃39;, &＃39;y&＃39;, &＃39;z&＃39;, &＃39;0&＃39;, &＃39;1&＃39;, &＃39;2&＃39;, &＃39;3&＃39;,&＃39;4&＃39;, &＃39;5&＃39;, &＃39;6&＃39;, &＃39;7&＃39;, &＃39;8&＃39;, &＃39;9&＃39;, &＃39;&＃43;&＃39;, &＃39;/&＃39;,
};
unsigned char *base64encode(const unsigned char *str, unsigned int len)
{int i &＃61; 0, j &＃61; 0, k &＃61; 0;unsigned int encodeSize &＃61; BASE64_ENCODE_SIZE(len);unsigned char *result &＃61; (unsigned char *) malloc(sizeof(unsigned char) * encodeSize &＃43; 4);result[encodeSize] &＃61; &＃39;\0&＃39;; /* 构造字符串 */for(i &＃61; 0, j &＃61; 0; i > 2) & 0x3f];if (i &＃43; 1 >&＃61; encodeSize) break;result[i&＃43;1] &＃61; base64_table_encode[((str[j] & 0x3) <<4) | ((str[j&＃43;1] >> 4) & 0xf)];if (i &＃43; 2 >&＃61; encodeSize) break;result[i&＃43;2] &＃61; base64_table_encode[((str[j&＃43;1] & 0xf) <<2) | ((str[j&＃43;2] >> 6) & 0x3)];if (i &＃43; 3 >&＃61; encodeSize) break;result[i&＃43;3] &＃61; base64_table_encode[(str[j&＃43;2] & 0x3f)];}return result;
}