Base64编码原理、实现

0x01 Base64 编码

Base64 编码在数据传输过程中应用广泛，例如传统的邮件只支持可见字符的传送，像 ASCII 码的控制字符就不能通过邮件传送。这样就受到了很大的限制，比如图片二进制流的每个字节不可能全部是可见字符，所以就传送不了。正好 Base64 编码使用 64 个可见字符来表示二进制数据。

0x02 Base64 原理

如上图所示是将 “Base” 进行Base64编码得到 “QmFzZQ==” 的过程。

• 根据ASCII编码表获取 “Base” 对应的二进制,一个字符占一个字节，也就是一个字符8位
• 将 “Base” 的二进制编码按每6位划分，正好3个8位字节可以得到4个6位字节。
• 在6位字节前补两个0形成8位一个字节。如果剩下字符不足6位，后面用0填充。
• 根据形成的前两位为0的8位字节进行查表(Base64编码表)，得到Base64编码。为满足Base64编码字节数为4的倍数，最后需要填充足够的 “=” 符号

Base64 编码表

0x03 Base64 实现(Golang)

在看下面内容之前，请务必了解 位运算 中的 左移、右移、与运算

• 定义编码表

// 编码表
var EncodeDict = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/"
// 解码表
var DecodeDict = map[byte]int{'0': 52, '1': 53, '2': 54, '3': 55, '4': 56, '5': 57, '6': 58,
	'7': 59, '8': 60, '9': 61, 'A': 0, 'B': 1, 'C': 2, 'D': 3, 'E': 4, 'F': 5, 'G': 6, 'H': 7,
	'I': 8, 'J': 9, 'K': 10, 'L': 11, 'M': 12, 'N': 13, 'O': 14, 'P': 15, 'Q': 16, 'R': 17,
	'S': 18, 'T': 19, 'U': 20, 'V': 21, 'W': 22, 'X': 23, 'Y': 24, 'Z': 25, 'a': 26, 'b': 27,
	'c': 28, 'd': 29, 'e': 30, 'f': 31, 'g': 32, 'h': 33, 'i': 34, 'j': 35, 'k': 36, 'l': 37,
	'm': 38, 'n': 39, 'o': 40, 'p': 41, 'q': 42, 'r': 43, 's': 44, 't': 45, 'u': 46, 'v': 47,
	'w': 48, 'x': 49, 'y': 50, 'z': 51, '+': 62, '/': 63}

• Encode 实现

func Base64Encode(input string) string {
	data := []byte(input)
	var result []byte
	dataLen := len(data)
	for i := 0; i < dataLen; i += 3 {
		// 取第一个字节
		c := data[i]
		idx := c >> 2
		result = append(result, EncodeDict[idx])
		// 取第二个字符
		if i+1 >= dataLen {
			idx = (c & 3) << 4
			result = append(result, EncodeDict[idx], '=', '=')
			break
		} else {
			idx = (c & 3) << 4 + data[i+1] >> 4
			result = append(result, EncodeDict[idx])
		}
		c = data[i+1]
		// 取第三个字符
		if i+2 >= dataLen {
			idx = (c & 15) << 2
			result = append(result, EncodeDict[idx], '=')
			break
		} else {
			idx = (c & 15) << 2 + data[i+2] >> 6
			result = append(result, EncodeDict[idx], EncodeDict[data[i+2]&63])
		}
	}
	return string(result)
}

在Base64编码实现中，我们每次读入3个字节的数据(因为三个8位字节对应Base64的4个6位字节)，分别对三个字节进行处理，我们使用右移2位操作得到第一个字节的前6位形成一个前面填充0的8位字节进行查表；在处理第二个字节之前，我们先通过与运算拿到第一个字节的最后两位，并通过左移运算放到6位字节的最高位，最后加上第二个字节的前4位，就可以得到第二个前面填充0的8位字节进行查表，后面依次内推，无非通过左移、右移、与运算分别得到四个前面填充0的8位字节。

值得注意的是，在处理第二、三个字节时，需要判断当前是否已经到字符串结尾，如果到尾部，需要添加上对应数量的 ‘=’ 符号

• Decode 实现

func Base64Decode(input string) string {
	data := []byte(input)
	dataLen := len(data)
	for i := 0; i < dataLen%4; i++ {
		data = append(data, '=')
	}
	var result []byte
	for i := 0; i < dataLen; i += 4 {
		result = append(result, byte(DecodeDict[data[i]]<<2 + DecodeDict[data[i+1]]&63>>4))
		if data[i+2] == '=' {
			result = append(result, byte(DecodeDict[data[i+1]]&15<<4))
			break
		} else {
			result = append(result, byte(DecodeDict[data[i+1]]&15<<4 + DecodeDict[data[i+2]]&63>>2))
		}
		if data[i+3] == '=' {
			result = append(result, byte(DecodeDict[data[i+2]]&3<<6))
			break
		} else {
			result = append(result, byte(DecodeDict[data[i+2]]&3<<6 + DecodeDict[data[i+3]]&63))
		}
	}
	return string(result)
}

同编码相似，解码的时候，每次处理4个字符(因为Base64编码4个6位字节等于三个8位字节)，同样使用位运算中的与、左移、右移实现字节的变换与获取，最后使用’+'拼接出三个8位字节，再转换成字符串

在解码之前，因先判断Base64编码是否为4的倍数，如果不是，需要填充足够的’='符号

0x04 实验结果