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Base64编码学习

base64编码原理

base64编码将3个字节的数据(0-255)，通过编码表映射到4个字节的(64个可打印字符)数据集合。

编码表

const char base64_chars[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";

编码后的字符串长度为：向上取整(源字符串长度 / 3.0) * 4。

size_t encode_str_size = ceil(strlen(input_str) / 3.0) * 4

长度是3的倍数的编码

三个字节的base64编码

  1. 3个字节共3*8 = 24个bit。
  2. 将24bit划分为4组。
  3. 每一组都充当索引值。
  4. 获取编码表对应索引值的编码值。
  5. 写入编码后的字符串。
编码对应的值 三个字节的base64编码

存在余数的编码

当源字符串的长度mod 3后，存在余数[1, 2]，此时需要在编码后的字符串中填充(3 - 余数)个数的=。 例如： 存在余数的编码

实现代码(C++)

base64.cpp
const char base64_chars[] =
    "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";


void base64_encode(const unsigned char* input, uint32_t len,
                   unsigned char* output) {
  unsigned int input_index = 0, output_index = 0;
  unsigned char origin_char_arr[3];  // 必须全初始化为0
  unsigned char encode_char_arr[4];
  while (len > 0) {
    int read_size;
    memset(origin_char_arr, 0, 3);
    // 读取
    for (read_size = 0; read_size < 3 && len > 0; read_size++, len--) {
      origin_char_arr[read_size] = *(input + input_index++);
    }
    encode_char_arr[0] = origin_char_arr[0] >> 2;
    encode_char_arr[1] =
        ((origin_char_arr[0] & 0x03) << 4) + (origin_char_arr[1] >> 4);
    encode_char_arr[2] =
        ((origin_char_arr[1] & 0xf) << 2) + (origin_char_arr[2] >> 6);
    encode_char_arr[3] = origin_char_arr[2] & 0x3f;
    // 使用encode_char_arr获取编码值
    for (int j = 0; j < 4; j++) {
      if (j > read_size) {
        output[output_index++] = '=';
      } else {
        output[output_index++] = base64_chars[encode_char_arr[j]];
      }
    }
  }
  return;
}

base64解码

知道了编码的原理，我们就能够实现解码了。

  1. 读入4个编码后的字符，遇到=字符结束。
  2. 用编码后的字符找到对应的索引值。
  3. 将4个索引值转换为3个解码字符
  4. 写入解码后的字符串
base64.cpp
// 从 Base64 字符找到对应的索引
int base64_char_index(char c) {
  if (c >= 'A' && c <= 'Z') return c - 'A';
  if (c >= 'a' && c <= 'z') return c - 'a' + 26;
  if (c >= '0' && c <= '9') return c - '0' + 52;
  if (c == '+') return 62;
  if (c == '/') return 63;
  return -1;
}


void base64_decode(const unsigned char* input, uint32_t len,
                   unsigned char* output) {
  unsigned int input_index = 0, output_index = 0;
  unsigned char origin_char_arr[3];
  unsigned char encode_char_arr[4];
  while (len > 0) {
    // 取出四个编码后的值
    int read_size;
    memset(encode_char_arr, 0, 4);
    for (read_size = 0; read_size < 4; read_size++, len--) {
      int result = base64_char_index(*(input + input_index++));
      if (result == -1) break;
      encode_char_arr[read_size] = result;
    }
    // 转换为3字节
    origin_char_arr[0] =
        (encode_char_arr[0] << 2) + ((encode_char_arr[1] & 0x30) >> 4);
    origin_char_arr[1] =
        ((encode_char_arr[1] & 0x0f) << 4) + ((encode_char_arr[2] & 0x3c) >> 2);
    origin_char_arr[2] =
        ((encode_char_arr[2] & 0x03) << 6) + encode_char_arr[3];


    // 写入解密后的字符串 result 取值范围[2, 3, 4]
    for (int i = 0; i < read_size - 1; i++) {
      *(output + output_index++) = origin_char_arr[i];
    }
  }
  return;
}

汇编实现