一文搞懂Base64编码原理

码农爱学习 发表于 2021/07/25 13:43:34 2021/07/25
【摘要】 Base64是最常见的用于传输8Bit字节码的编码方式之一,它是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法。

Base64是最常见的用于传输8Bit字节码的编码方式之一,它是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法。


Base64是什么

Base64编码,是由64个字符组成编码集:26个大写字母A~Z,26个小写字母a~z,10个数字0~9,符号“+”与符号“/”。Base64编码的基本思路是将原始数据的三个字节拆分转化为四个字节,然后根据Base64的对应表,得到对应的编码数据。

当原始数据凑不够三个字节时,编码结果中会使用额外的符号“=”来表示这种情况。

Base64编码表

码值 字符 码值 字符 码值 字符 码值 字符
0 A 16 Q 32 g 48 w
1 B 17 R 33 h 49 x
2 C 18 S 34 i 50 y
3 D 19 T 35 j 51 z
4 E 20 U 36 k 52 0
5 F 21 V 37 l 53 1
6 G 22 W 38 m 54 2
7 H 23 X 39 n 55 3
8 I 24 Y 40 o 56 4
9 J 25 Z 41 p 57 5
10 K 26 a 42 q 58 6
11 L 27 b 43 r 59 7
12 M 28 c 44 s 60 8
13 N 29 d 45 t 61 9
14 O 30 e 46 u 62 +
15 P 31 f 47 v 63 /

Base64编码步骤

  • 将原始数据按照每三个字节作为一组进行划分,每组一共是24个二进制位。

  • 再将这24个二进制位,每6个一划分,分为四组(6×4=24个二进制位)。

  • 然后在每组前面补上00,扩展成8×4=32个二进制位,即四个字节(因为每个字节前面有2个0,所以每个字节的最大值是63)。

  • 最后根据Base64编码表,将这四个字节的码值,转换为对应的Base64的字符即可。


Base64编码过程举例

情况1:正常的3个字节编码

将单词“PCB”转换为Base64编码:

  • "P"、"C"、"B"的ASCII值分别是80、67、66,对应的二进制值是0101 0000、0100 0011、0100 0010,将它们连成一个24位的二进制字符串010100000100001101000010。

  • 将这个24位的二进制字符串,每6个一组分成4组:010100、000100、001101、000010。

  • 在每组前面加两个00,扩展成32个二进制位,即四个字节:00010100、00000100、00001101、00000010。它们的十进制值分别是19、22、5、46。(最前面加上两个0只是为了凑成一个字节,实际上其本身的数值是没有变化的)

  • 根据上表,得到每个值对应Base64编码,即U、E、N、C。

情况2:剩余2个字节编码

对于2个字节(16个二进制数)的情况,比如将“PC”转换为Base64编码:

转换方法同上,区别在于:

  • 16个二进制数,每6个一组分割,最后剩余4个,这时再在后面补两个0凑成6个。

  • 然后还按照基础的方法转换,最后补一个“=”即可

转换过程如下表,最终将“PC”转换为了“UEM=”

情况3:剩余1个字节编码

对于12个字节(8个二进制数)的情况,比如将“P”转换为Base64编码:

转换方法同上,区别在于:

  • 16个二进制数,每6个一组分割,最后剩余2个,后面要再补4个0

  • 然后还按照基础的方法转换,最后补两个“=”即可

转换过程如下表,最终将“P”转换为了“UA==”

Base64编解码C程序

编码程序

编码的程序设计思路,就是按照上面讲解的编码过程,每3个原始字符为一组,进行编码,得到4个base64的字符。对于不够3个字符的情况,编码的base64的字符后面补上一到两个=号。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
​
/*base64符号表*/
const char *base64Arr = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
/*base64增补符号*/ 
const char paddingChar = '=';
​
/** @func:  base64_encode
*   @brief: base64编码 
*   @para:  [srcData]:要进行编码的原始数据
*           [resBase64]:base64编码结果 
*   @return:none
*/
void base64_encode(const unsigned char * srcData, char * resBase64)
{
    int i=0; /*原始数据索引*/ 
    int j=0; /*base64结果索引*/ 
    unsigned char transIdx=0;    // 索引是8位,但是高两位都为0
    const int srcLen = strlen((const char*)srcData);
    
    /*每3个一组,进行编码*/
    for(i=0; i < srcLen; i+=3) 
    {
        /*取出第1个字符的高6位*/ 
        transIdx = ((srcData[i] >> 2) & 0x3f); /*0011 1111*/
        /*查表*/ 
        resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
        
        /*取出第1个字符的低2位*/ 
        transIdx = ((srcData[i] << 4) & 0x30); /*0011 0000*/
        
        /*第1个字符后面还有字符*/ 
        if (i + 1 < srcLen) 
        {
            /*取出第2个字符的高4位,并与第1个字符的低2位进行组合*/ 
            transIdx |= ((srcData[i + 1] >> 4) & 0x0f); /*0000 1111*/
            /*查表*/ 
            resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
        }
        else /*第1个字符后面没有字符了*/
        {
            /*直接使用第1个字符的低2位查表*/
            resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
            
            /*然后补上两个=号*/ 
            resBase64[j++] = paddingChar;
            resBase64[j++] = paddingChar;
            break;   /*没有数据了,break结束*/ 
        }
        
        /*取出第2个字符的低4位*/ 
        transIdx = ((srcData[i + 1] << 2) & 0x3c); /*0011 1100*/
        
        /*第2个字符后面还有字符*/ 
        if (i + 2 < srcLen)
        { 
            /*取出第3个字符的高2位,并与第2个字符的低4位进行组合*/ 
            transIdx |= ((srcData[i + 2] >> 6) & 0x03);  /*0000 0011*/
            /*查表*/ 
            resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
            
            /*取出第3个字符的低6位*/ 
            transIdx = srcData[i + 2] & 0x3f; /*0011 1111*/ 
            /*查表*/ 
            resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
        }
        else /*第2个字符后面没有字符了*/
        {
            /*直接使用第2个字符的低4位查表*/
            resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
            
            /*然后补上一个=号*/ 
            resBase64[j++] = paddingChar;
            break;  /*没有数据了,break结束*/ 
        }
    }
    
    /*结束符*/ 
    resBase64[j] = '\0'; 
}


解码程序

解码的程序设计思路,其实就是编码的反过程,把要解码的base64符号,每4个为一组,译码成3个字符。对于最后出现的=的情况,就说明是要结束了,直接使用剩余的base64符号进行译码,然后就结束了。

/** @func:  idx_in_base64Arr
*   @brief: 在base64符号表中查找字符c对应的索引值
*   @para:  [c]:要查找的字符
*   @return:字符c在base64符号表中对应的索引值(0~63) 
*/
int idx_in_base64Arr(char c) 
{
    /*在base64表中搜索第一次出现字符c的位置*/
    const char *pIdx = strchr(base64Arr, c);
    if (NULL == pIdx)
    {
        /*找不到对应的base64字符,说明输入的base64字符串有误*/ 
        return -1;
    }
    
    /*返回字符c在base64表中的位置*/
    return (pIdx - base64Arr);
}   
​
/** @func:  base64_decode
*   @brief: base64解码 
*   @para:  [srcBase64]:要进行解码的原始base64数据
*           [resData]:解码出的结果 
*   @return:none
*/
void base64_decode(const char *srcBase64, unsigned char *resData)
{
    int i = 0; /*原始base64数据索引*/ 
    int j = 0; /*解码后的结果数据索引*/ 
    int trans[4] = {0,0,0,0}; /*4个base64符号对应的表中的位置(0~63的数字)转换值*/ 
    
    /*base64符号每4个一组,译码成3个字符*/
    for (i=0; srcBase64[i]!='\0'; i+=4)
    {
        /*------译码第1个字符------*/
        /*前2个base64符号在表中的位置(0~63的数字)*/
        trans[0] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i]);
        trans[1] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i+1]);
        
        /*第1个符号的后6位,与第2个符号的6、5位,译出第1个字符*/ 
        resData[j++] = ((trans[0] << 2) & 0xfc) | ((trans[1]>>4) & 0x03); /*1111 1100   0000 0011 */ 
​
        /*------译码第2个字符------*/  
        /*第3个base64符号是否是=号*/
        if (srcBase64[i+2] != '=')
        {
            /*第3个base64符号在表中的位置(0~63的数字)*/
            trans[2] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i + 2]);
        }
        else
        {
            break;/*没有数据了,break结束*/ 
        }
        /*第2个符号的后4位,与第3个符号的6、5、4、3位,译出第2个字符*/ 
        resData[j++] = ((trans[1] << 4) & 0xf0) | ((trans[2] >> 2) & 0x0f); /*1111 0000  0000 1111*/
  
        /*------译码第3个字符------*/
        /*第4个base64符号是否是=号*/
        if (srcBase64[i + 3] != '=')
        {
            /*第4个base64符号在表中的位置(0~63的数字)*/
            trans[3] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i + 3]);
        }
        else
        {
            break;/*没有数据了,break结束*/ 
        }
        /*第3个符号的后2位,与第4个符号的后6位,译出第3个字符*/ 
        resData[j++] = ((trans[2] << 6) & 0xc0) | (trans[3] & 0x3f); /*1100 0000   0011 1111*/ 
    }
  
    /*结束符*/ 
    resData[j] = '\0';
}


测试程序

使用字符串“PCB”进行base64编码测试,然后再将编码得到的结果,进行解码测试。

/*测试*/
int main()
{
    /*定义要进行base64编码的字符串*/ 
    const unsigned char *srcData = "PCB" ;
    
    /*先测试编码*/
    char base64[128];
    base64_encode(srcData, base64);  
    printf("base64编码:%s\n",base64);
​
    /*再测试解码*/ 
    char resData[128];
    base64_decode(base64, (unsigned char*)resData);
    printf("base64解码:%s", resData);
​
    return 0;
}

输出结果如下,可以看出,“PCB”进行base64编码,得到了“UENC”,然后再反向解码,又得到了“PCB”

base64编码:UENC
base64解码:PCB
--------------------------------
Process exited after 0.01123 seconds with return value 0
请按任意键继续. . .

完整程序可从我的gitee仓库下载:https://gitee.com/xxpcb/c-test/tree/master/C-Base64-Test

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