Base64编码的原理与实现

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在数据传输的时候，并不是所有的字符都可以受到支持，很多时候只能传输可见字符，对于不可见字符的传输需要经过特殊处理，这就是Base64产生的原因。Base64编码是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。由于$2^6=64$，所以每6个比特为一个单元，对应某个可打印字符。3个字节有24个比特，对应于4个Base64单元，即3个字节可由4个可打印字符来表示。在Base64中的可打印字符包括字母A-Z、a-z、数字0-9，这样共有62个字符，此外两个可打印符号在不同的系统中而不同。一些如uuencode的其他编码方法，和之后BinHex的版本使用不同的64字符集来代表6个二进制数字，但是不被称为Base64。
Base64常用于在通常处理文本数据的场合，表示、传输、存储一些二进制数据，包括MIME的电子邮件及XML的一些复杂数据。用Base64编码图片也是互联网上常见的做法。

Base64的字符索引如下表所示：

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 | /

这是一个根据上表进行编码的例子：

如果要编码的字节数不能被3整除，最后会多出1个或2个字节，那么可以使用下面的方法进行处理：先使用0字节值在末尾补足，使其能够被3整除，然后再进行Base64的编码。在编码后的Base64文本后加上一个或两个=号，代表补足的字节数。也就是说，当最后剩余两个八位字节（2个byte）时，最后一个6位的Base64字节块有四位是0值，最后附加上两个等号；如果最后剩余一个八位字节（1个byte）时，最后一个6位的Base字节块有两位是0值，最后附加一个等号。可以参考下面的例子：

这是一个用Python实现Base64编码的脚本：

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#!/usr/bin/env python3

def myBase64Encode(preCoding):
    charTable = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/' #字符表
 
    if len(preCoding) < 0:
        return ''  #字符串为空则返回空
    lackCharNums = 3 - len(preCoding) % 3
    if lackCharNums == 3 : lackCharNums = 0 #整除说明不缺字符
    #待转换字符不是3的倍数的情况补全它
    for i in range(lackCharNums) :
        preCoding = preCoding + b'\x00'
    result = '' #用于保存最终结果的str数据
    rp = '' #处理补全字符时的暂存变量
    #每三个字符处理一轮
    for i in range(int(len(preCoding) / 3)):
        threeChar = preCoding[i * 3 : i * 3 + 3] #取三个字符出来
        tCode = '' #用于存放三个字符拼接后的二进制数值 文本形式
        pCode = '' #暂存变量
        for j in range(3) :
            pCode = bin(threeChar[j])[2 :]  #把省略的0补上
            lackZeroNums = 8 - len(pCode) #省略的0的个数
            for x in range(lackZeroNums):
                pCode = '0' + pCode
            tCode = tCode + pCode
        pCode = ''
        for j in range(4): #每6位一个字符
            pCode = tCode[j * 6 : j * 6 + 6]
            rp = rp + charTable[int(pCode, 2)]
        #处理补全的00字符
        result = rp[: len(rp) - lackCharNums]
        for j in range(lackCharNums):
            result = result + '='
    return bytes(result, encoding = "utf-8")
 
def myBase64Decode(encodedBin) :
    charTable = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/' #字符表
 
    #如果字符不是4的倍数 返回空
    if not len(encodedBin) % 4 == 0 :
        return ''
 
    tCode = '' #用于存放最终的二进制文本字符串
    pCpde = '' #暂存变量
    #遍历encodedBin每一个字符
    for i in encodedBin:
        for j in range(len(charTable)): #找到表中对应坐标
            if chr(i) == charTable[j]:
                pCode = bin(j)[2 :]  #转二进制去除开头的0b
                lackZeroNums = 6 - len(pCode) #省略的0的个数
                for x in range(lackZeroNums):
                    pCode = '0' + pCode
                tCode = tCode + pCode
    pCode = ''
    result = '' #储存最终结果
    for i in range(int(len(tCode) / 8)):
        pCode = tCode[i * 8 : i * 8 + 8]
        result = result + chr(int(pCode, 2))
    return bytes(result, encoding = "utf-8")

print(myBase64Encode(b"helloworld"))
print(myBase64Decode(b"aGVsbG93b3JsZA=="))

浏览器中可以直接调用相关的API：

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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8"/>
<title>文件base64——直接拖进来</title>
</head>
<style>
body {
    word-break: break-all;
}
</style>
<body>
<script>
window.addEventListener("dragenter", function(event) {
    event.preventDefault();
}, false);
window.addEventListener("dragover", function(event) {
    event.preventDefault();
}, false);
window.addEventListener("drop", function(event) {
    var reader = new FileReader();
    reader.onload = function(e) {
        document.body.insertAdjacentHTML("afterBegin", '<p>' + e.target.result + '</p>'); 
        //base64 encoded file data!
    };
    reader.readAsDataURL(event.dataTransfer.files[0]);
    event.preventDefault();
}, false);
</script>
</body>
</html>

这是加载Base64编码的图片的方法。这可以将图片硬编码到网页中。

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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8"/>
<title>Base64 Encode编码实现1x1px透明(黑白)图片</title>
<style>
body {
    text-align: center;
}
</style>
</head>
<body>
<h1>以下是透明图片</h1>
<img src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7" width="500" height="100" />
<h1>以下是黑色图片</h1>
<img src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAUEBAAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=" width="500" height="100" />
</body>
</html>

拓展阅读：
Base64 - 维基百科
Base64编码原理及脚本的简单实现

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