2023-11-25  阅读(949)
版权声明:本文为博主原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。 本文链接:https://www.skjava.com/series/article/1066055319

引言

Base64编码是一种用64个字符表示二进制数据的方法,它使用一组64个可打印字符来表示二进制数据,每6个比特位为一个单元,对应某个可打印字符。注意它并不是一种加密算法,所以Base64常用于在不支持二进制数据的系统间传输二进制数据。

但是,Java 8 之前并不支持 Base64,我们需要依赖第三方库如Apache Commons Codec或者在JDK内部类sun.misc.BASE64Encodersun.misc.BASE64Decoder等不推荐使用的方式来实现Base64编码解码。

为了能够提供一个更加标准的、更加安全的方法来进行Base64的编码和解码操作,使得开发者们不再需要依赖外部库,Java 8 引入全新的 Base64,同时为了提供更好的性能,Java 为 Base64 的实现做了专门的性能优化。

Base64 的核心原理

在了解 Java 8 中 Base64 API 之前,我们先看 Base64 的实现原理。

Base64 的核心思想是将数据流的每三个字节划分为一组,总共24位,再将这24位分为4组,每组6位。由于每组现在只有6位,因此它可以表示的最大数值是 2^6 - 1 = 63,Base64编码正是利用这64个数字(从0到63)对应到可打印字符的映射关系来工作的。

Base64 编码的步骤如下:

  1. 分组:输入数据被分成每组3字节(24位)。如果最后一组不足3字节,则用0填充至3字节。
  2. 映射:每组24位被进一步划分为4个6位的小组。每个6位小组将被映射为一个0-63之间的数字。
  3. 编码表:这些数字用作Base64编码表中的索引,该表由64个字符组成,包括大小写英文字母、数字和两个额外符号(通常是+/),还有一个用于填充的=符号,以确保输出的字符数为4的倍数。
  4. 转换:每个6位的分组对应的数字转换成相应的Base64字符。
  5. 填充:如果原始数据字节长度不是3的倍数,最终的编码可能会用=字符填充至4的倍数长度,这样接收方在解码时能够恢复原始数据。

编码表如下:

数值 字符 数值 字符 数值 字符 数值 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 /

有了这个映射表我们就把任意的二进制转换成Base64的编码了,下面大明哥举个例子给大家演示下转换过程。我们将 sikejava 字符串转换为 Base64 编码

步骤1:将字符转换为ASCII值

将每个字符转换为对应一个ASCII值。

  • s -> 115
  • i -> 105
  • k -> 107
  • e -> 101
  • j -> 106
  • a -> 97
  • v -> 118
  • a -> 97

步骤2:将ASCII值转换为二进制

将每个ASCII值转换为8位二进制数。

  • 115 -> 01110011
  • 105 -> 01101001
  • 107 -> 01101011
  • 101 -> 01100101
  • 106 -> 01101010
  • 97 -> 01100001
  • 118 -> 01110110
  • 97 -> 01100001

串连起来就是:01110011 01101001 01101011 01100101 01101010 01100001 01110110 01100001

步骤3:将二进制数据划分为6位一组

将连续的二进制位分成6位一组的小块。如果最后一组不足6位,需要用0填充。

上面二进制分为 6 位一组:011100 110110 100101 101011 011001 010110 101001 100001 011101 100110 000100

步骤 4:将6位二进制数转换为十进制

每组6位的二进制数将被转换成十进制数。

  • 011100 -> 28
  • 110110 -> 54
  • 100101 -> 37
  • 101011 -> 43
  • 011001 -> 25
  • 010110 -> 22
  • 101001 -> 41
  • 100001 -> 33
  • 011101 -> 29
  • 100110 -> 38
  • 000100 -> 4

步骤5:将十进制数映射到Base64字符

  • 28 -> c
  • 54 -> 2
  • 37 -> l
  • 43 -> r
  • 25 -> Z
  • 22 -> W
  • 41 -> p
  • 33 -> h
  • 29 -> d
  • 38 -> m
  • 4 -> E

所以,"sikejava"对应的Base64编码是 c2lrZWphdmE=。最后的=符号用于填充,因为Base64编码的输出应该是4的倍数。

我们用代码验证下 :

System.out.println(Base64.getEncoder().encodeToString("sikejava".getBytes()));
// 结果......
c2lrZWphdmE=

Java 8 中的Base64 API

Java 8 中的 Base64 API 提供了三种主要类型的 Base64 编码和解码,他们分别适用于不同的场景和需求。

基本 Base64 编码和解码

  • 编码器: 使用 Base64.getEncoder() 获取。
  • 解码器: 使用 Base64.getDecoder() 获取。

它们提供了基本的 Base64 编码和解码功能,适用于所有需要 Base64 编码的场景。其特点是输出编码字符串不会包含用于换行的字符。

URL 和文件名安全 Base64 编码和解码

  • 编码器: 使用 Base64.getUrlEncoder() 获取。
  • 解码器: 使用 Base64.getUrlDecoder() 获取。

该编解码器适用于 URL 和文件名的 Base64 编码。由于 URL 中的某些字符(如 +/)有特殊含义,所以需要使用这种编码方式来替换这些字符。使用该编码器,编码输出中的 +/ 字符分别被替换为 -_,使得编码后的字符串可以安全地用在 URL 和文件名中。

MIME 类型 Base64 编码和解码

  • 编码器: 使用 Base64.getMimeEncoder() 获取。
  • 解码器: 使用 Base64.getMimeDecoder() 获取。

该编码器适用于 MIME 类型(如电子邮件)的内容,其中可能需要支持多行输出。特点是持按照 MIME 类型的要求将输出格式化为每行固定长度的多行字符串。默认每行长度不超过 76 个字符,并在每行后插入 \r\n

Base64 提供了多种编解码的方法,大明哥这里列举几个最常用的:

  • encode(byte[] src): 将给定的字节数组编码为 Base64 字符串。
  • encodeToString(byte[] src): 将给定的字节数组编码为一个 Base64 字符串,并将其直接转换为字符串格式。
  • decode(String src): 将给定的 Base64 字符串解码为字节数组。
  • decode(byte[] src): 将给定的 Base64 编码的字节数组解码为原始字节数组。

Base64示例

基本 Base64 编码

基本编码是最常见的类型,适用于大多数需要 Base64 编码的场景。

    @Test
    public void base64BasicTest() {
        String skStr = "skjava";

        // 编码
        String encodingStr = Base64.getEncoder().encodeToString(skStr.getBytes());
        System.out.println("encodingStr = " + encodingStr);

        // 解码
        String decodeStr = new String(Base64.getDecoder().decode(encodingStr));
        System.out.println("decodeStr = " + decodeStr);
    }
// 结果......
encodingStr = c2tqYXZh
decodeStr = skjava

URL 和文件名安全 Base64 编码

URL和文件名安全编码会替换掉一些在 URL 中可能会引起问题的字符,比如 +/

    @Test
    public void base64UrlTest() {
        String skStr = "https://skjava.com/?series=skjava";

        // 编码
        String encodingStr = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(skStr.getBytes());
        System.out.println("encodingStr = " + encodingStr);

        // 解码
        String decodeStr = new String(Base64.getUrlDecoder().decode(encodingStr));
        System.out.println("decodeStr = " + decodeStr);
    }
// 结果......
encodingStr = aHR0cHM6Ly9za2phdmEuY29tLz9zZXJpZXM9c2tqYXZh
decodeStr = https://skjava.com/?series=skjava

MIME 类型 Base64 编码

MIME 类型编码适用于电子邮件或其他 MIME 类型的内容,它支持多行输出。

    @Test
    public void base64MimeTest() {
        String skStr = "Hello, MIME-Type Example。\r\n" +
                "sike-java,sike-java-feature;" +
                "sike-javanio,sike-netty";

        // 编码
        String encodingStr = Base64.getMimeEncoder().encodeToString(skStr.getBytes());
        System.out.println("encodingStr = " + encodingStr);

        // 解码
        String decodeStr = new String(Base64.getMimeDecoder().decode(encodingStr));
        System.out.println("decodeStr = " + decodeStr);
    }
// 结果......
encodingStr = SGVsbG8sIE1JTUUtVHlwZSBFeGFtcGxl44CCDQpzaWtlLWphdmEsc2lrZS1qYXZhLWZlYXR1cmU7
c2lrZS1qYXZhbmlvLHNpa2UtbmV0dHk=
decodeStr = Hello, MIME-Type Example。
sike-java,sike-java-feature;sike-javanio,sike-netty
阅读全文
  • 点赞