一文講清base64編碼原理

更新時間：2023年03月01日 09:11:03 作者：JyLie

本文主要介紹了一文講清base64編碼原理，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

前言

平靜之下，驀然回首，base64 卻在燈火闌珊處。

今天翻開舊項目發(fā)現(xiàn)挺多圖片相關(guān)的插件都是用 base64 來顯示圖片的。談到 base64，腦海遐想翩翩，思緒回蕩之下 base64 瑕瑜互見。本文旨在記錄工作中遇見的問題并加以總結(jié)，如有不妥請指正~

base64 由來

base64 是網(wǎng)絡(luò)傳輸 8Bit 字節(jié)代碼的編碼方式之一，是一種基于 64 個可打印字符來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的方法。在做支付系統(tǒng)時，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 轉(zhuǎn)碼）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：使用全英文的字符串沒問題，但一旦涉及到中文就會出現(xiàn)亂碼的情況。與此類似，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)淖址⒉蝗强纱蛴〉淖址?，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、日韓俄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。隨后，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

基于a-z、A-Z、0-9、+/這 64 個字符來標(biāo)識二進(jìn)制數(shù)據(jù)，另外=符號用于當(dāng)字節(jié)缺位時補用。

base64 編碼對照表

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

base64 的編碼轉(zhuǎn)換規(guī)則

base64 要求把每三個 8Bit 的字節(jié)轉(zhuǎn)換為四個 6Bit 的字節(jié)（3*8 = 4*6 = 24），然后把 6Bit再添兩位高位 0，組成四個 8Bit 的字節(jié)（4*8=32）。

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。

同時用于分組后每組添加兩個高位 0，轉(zhuǎn)換后的字符串理論上將要比原來的字符長 1/3（24/32=1/3）。

步驟分解：

將待轉(zhuǎn)換的字符串每三個字符分為一組，每個字符字節(jié)占 8bit，那么共有 24 個二進(jìn)制位。

將 24 個二進(jìn)制位每 6 個字節(jié)為一組，共分為 4 組。

在每組 6 字節(jié)前面添加兩個 0，每組由 6 字節(jié)變?yōu)?8 字節(jié)二進(jìn)制位，組成總共 32 個二進(jìn)制位，即四個字節(jié)。

根據(jù) base64 編碼對照表獲得對應(yīng)的值。
舉個栗子
- 以標(biāo)準(zhǔn) 3 個字符LJY為例。
LJY 對應(yīng)的 ASCII 碼值分別為 76、74、89，對應(yīng)的二進(jìn)制值是 01001100、01001010、01011001。由此組成一個 24 位的二進(jìn)制位字符串。

將 24 位的二進(jìn)制位字符串，按照每 6 位二進(jìn)制位一組分成 4 組。

對 4 組每組 6 位二進(jìn)制位字符串前面補兩個 0，每組擴展為 8 位二進(jìn)制位，4 組共擴展成 32 個二進(jìn)制位，此時 4 組二進(jìn)制位分別為：00010011、00000100、00101001、00011001。其對應(yīng)的 base64 編碼索引為：19、4、41、25。

用 base64 編碼索引值在 base64 編碼表中進(jìn)行查找，分別對應(yīng)：T、E、p、Z。
- 因此LJYbase64 編碼之后就變?yōu)椋篢EpZ。

|   文本           |    L     |    J     |    Y     |
|  ASCII          |    76    |    74    |    89    |
| 二進(jìn)制位         | 01001100 | 01001010 | 01011001 |
| 分組二進(jìn)制       | 010011   | 000100   | 101001   | 011001   |
| 分組二進(jìn)制補2個0 | 00010011 | 00000100 | 00101001 | 00011001 |
| 分組索引         |   19     |   4      |   41     |   25     |
| base64編碼       |   T     |   E      |    p      |   Z      |

主要展示：
轉(zhuǎn)換前二進(jìn)制位: 01001100 01001010 01011001
轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制位: 00010011 00000100 00101001 00011001
復(fù)制代碼

字符位數(shù)不足情況

上述栗子是面向剛好三個字符為一組的情況。當(dāng)然不是所有時候都這么巧字符位數(shù)足夠，除此以外有位數(shù)不足的情況。那么，面對字符位數(shù)不足的情況下該如何處理呢？

base64 給出的方案是，當(dāng)每組字符不足三位時，不足位數(shù)位置需要使用=符號補上。

位數(shù)不足情況處理情景：

位數(shù)缺一個字節(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。
位數(shù)缺兩個字節(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。

位數(shù)不足圖解如下：

<!-- 缺2位字符,字符串以A為例轉(zhuǎn)換base64后位QQ== -->
|   文本（1Byte）  |    A     |          |          |
| 二進(jìn)制位         | 01000001 |          |          |
| 分組二進(jìn)制       | 010000   | 010000   |          |          |
| 分組二進(jìn)制補0    | 00010000 | 00010000 |          |          |
| 分組索引         |   16     |   16     |          |          |
| base64編碼       |   Q     |   Q      |    =      |   =      |

<!-- 缺1位字符,字符串以AB為例轉(zhuǎn)換base64后位QUI= -->
|   文本（1Byte）  |    A     |     B    |          |
| 二進(jìn)制位         | 01000001 | 01000010 |          |
| 分組二進(jìn)制       | 010000   | 010100   |  001000  |          |
| 分組二進(jìn)制補0    | 00010000 | 00010100 | 00001000 |          |
| 分組索引         |   16     |   20     |    8      |          |
| base64編碼       |   Q     |   U      |    I      |   =      |
復(fù)制代碼

列舉了一個字符到三個字符轉(zhuǎn)換為 base64 ，可以發(fā)現(xiàn)將 base64 就是按照 base64 編碼對照表來將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為字符串，使得數(shù)據(jù)不能直接明文展示出來，但也算不上是加密，而這巧好可用在傳輸、存儲、表示二進(jìn)制領(lǐng)域的情景。

另外值得注意的是，不用語言如中文有多種編碼（比如：utf-8、gb2312、gbk 等），不同編碼對應(yīng) base64 編碼結(jié)果都不一樣。
其次在推演過程中可發(fā)現(xiàn) base64 即用 6 位字節(jié)（2 的 6 次冪就是 64）表示字符同理，Base32 就是用 5 位字節(jié)，Base16 就是用 4 位字節(jié)。大家可以按照上面的步驟進(jìn)行演化測試。

base64 優(yōu)缺點

知道 base64 是什么后，也該到為什么出現(xiàn)了。為什么要是使用 base64 呢，這要從其優(yōu)缺點入手來選擇適合場景了。

優(yōu)勢：
- base64 適合不同平臺、不同語言的傳輸；
- 頁面中內(nèi)嵌使用 base64 格式的小圖片，可減少了服務(wù)器訪問次數(shù)；
- 二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換 base64 算法簡單，對性能影響不大；
缺點
- 二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為 base64 后，體積大概增加 1/3；
  - 在基于 Android6.0 及以下默認(rèn)瀏覽器實測場景中發(fā)現(xiàn)，某些機型如中興上傳 base64 圖片會因為字符大小過大導(dǎo)致上傳奔潰的情況。
  - 字符長度過大的 base64 不適應(yīng)使用在 URL 情景，因為 IOS 端瀏覽器會限制 URL 長度，當(dāng)長度超過時會自動切除多余部分，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
  - base64 字符過大會導(dǎo)致頁面加載速度變慢，因此建議 10kb 以下的圖片使用。
- base64 無法緩存，要緩存只能緩存包含 base64 的文件，比如 js 或者 css；
- 面對大文件時，會消耗一定的 CPU 進(jìn)行編解碼

JavaScript 的 base64 轉(zhuǎn)碼方法

Web API 二進(jìn)制與 base64 轉(zhuǎn)換

atob(encodedData) : 解碼一個 base64 編碼的字符串。

enCodedData，是一個通過 btoa() 方法編碼的字符串，為二進(jìn)制字符串包含 base64 編碼的數(shù)據(jù)。并返回包含來自 encodedData 的解碼數(shù)據(jù)的 ASCII 字符串。

btoa(stringToEncode) : 創(chuàng)建一個 bas64 編碼的字符串。

stringToEncode 為要編碼的二進(jìn)制字符串。并返回包含 stringToEncode 的 base64 表示形式的 ASCII 字符串。

另外在 JavaScript 中，字符串使用 UTF-16 字符編碼表示：在這種編碼中，字符串表示為 16 位（2 字節(jié)）單元的序列。每個 ASCII 字符都可以放入其中一個單元的第一個字節(jié)，但許多其他字符不能。

base64 在設(shè)計上需要二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為其輸入。就 JavaScript 字符串而言，這意味著每個字符只占用一個字節(jié)的字符串。因此，如果將一個字符串傳遞到 btoa（）中，其中包含占用多個字節(jié)的字符，則會出現(xiàn)錯誤，因為這不被視為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此超 16 位字符在使用 btoa()時需要先對字符轉(zhuǎn)碼為二進(jìn)制位。

// 簡單數(shù)據(jù)
const encodedData = btoa('Hello, world'); // encode a string
const decodedData = atob(encodedData); // decode the string

/* 復(fù)雜數(shù)據(jù) */
// convert a Unicode string to a string in which
// each 16-bit unit occupies only one byte
function toBinary(string) {
  const codeUnits = new Uint16Array(string.length);
  for (let i = 0; i < codeUnits.length; i++) {
    codeUnits[i] = string.charCodeAt(i);
  }
  const charCodes = new Uint8Array(codeUnits.buffer);
  let result = '';
  for (let i = 0; i < charCodes.byteLength; i++) {
    result += String.fromCharCode(charCodes[i]);
  }
  return result;
}
function fromBinary(binary) {
  const bytes = new Uint8Array(binary.length);
  for (let i = 0; i < bytes.length; i++) {
    bytes[i] = binary.charCodeAt(i);
  }
  const charCodes = new Uint16Array(bytes.buffer);
  let result = '';
  for (let i = 0; i < charCodes.length; i++) {
    result += String.fromCharCode(charCodes[i]);
  }
  return result;
}

// a string that contains characters occupying > 1 byte
const myString = '???????';

const converted = toBinary(myString);
const encoded = btoa(converted);
console.log(encoded); // OCY5JjomOyY8Jj4mPyY=

const decoded = atob(encoded);
const original = fromBinary(decoded);
console.log(original); // ???????

兼容性：atob() 方法不支持 IE9 及更早的 IE 版本。

base64 轉(zhuǎn)二進(jìn)制

// base64編碼表
const map = {
  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,
};

function base64to2(base64) {
  let len = base64.length * 0.75; // 轉(zhuǎn)換為int8array所需長度
  base64 = base64.replace(/=*$/, ''); // 去掉=號（占位的）

  const int8 = new Int8Array(len); //設(shè)置int8array視圖
  let arr1,
    arr2,
    arr3,
    arr4,
    p = 0;

  for (let i = 0; i < base64.length; i += 4) {
    arr1 = map[base64[i]]; // 每次循環(huán) 都將base644個字節(jié)轉(zhuǎn)換為3個int8array直接
    arr2 = map[base64[i + 1]];
    arr3 = map[base64[i + 2]];
    arr4 = map[base64[i + 3]];
    // 假設(shè)數(shù)據(jù)arr 數(shù)據(jù) 00101011 00101111 00110011 00110001
    int8[p++] = (arr1 << 2) | (arr2 >> 4);
    // 上面的操作 arr1向左邊移動2位 變?yōu)?0101100
    // arr2 向右移動4位：00000010
    // | 為'與'操作: 10101110
    int8[p++] = (arr2 << 4) | (arr3 >> 2);
    int8[p++] = (arr3 << 6) | arr4;
  }
  return int8;
}

base64 轉(zhuǎn)成 Blob

// base64圖片轉(zhuǎn)blob
function base64toBlob(base64) {
  var arr = base64.split(','),
    mime = arr[0].match(/:(.*?);/)[1] || 'image/png',
    bstr = atob(arr[1]), // 將base64轉(zhuǎn)為Unicode規(guī)則編碼
    n = bstr.length,
    u8arr = new Uint8Array(n);
  while (n--) {
    u8arr[n] = bstr.charCodeAt(n); // 轉(zhuǎn)換編碼后才可以使用charCodeAt 找到Unicode編碼
  }
  return new Blob([u8arr], { type: mime });
}

/* 優(yōu)化版 */
function base64ToBlob(base64) {
  var arr = base64.split(',');
  var mime = arr[0].match(/:(.*?);/)[1] || 'image/png';
  // 去掉url的頭，并轉(zhuǎn)化為byte
  var bytes = window.atob(arr[1]);
  // 處理異常,將ascii碼小于0的轉(zhuǎn)換為大于0
  var ab = new ArrayBuffer(bytes.length);
  // 生成視圖（直接針對內(nèi)存）：8位無符號整數(shù)，長度1個字節(jié)
  var u8arr = new Uint8Array(ab);

  for (var i = 0; i < bytes.length; i++) {
    u8arr[i] = bytes.charCodeAt(i);
  }

  return new Blob([u8arr], { type: mime });
}