Java8新特性-Base64

逃离我推掉我的手 2021-09-21 16:54 376阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  Base64 编码由来
     *  什么是 Base64 和 Base64 的使用场景
     *   *  什么是 Base64
         *  Base64 的使用场景
     *  Base64 编码原理
     *   *  Base64 编码过程
     *  Base64 解码原理
     *  Base64 编码字符串实例
     *  Base64 具体实现
     *   *  对字符串进行 Base64 编解码
         *   *  Encoder方式
             *  UrlEncoder方式
             *  MimeEncoder方式
         *  对文件进行 Base64 编解码
         *   *  文件与 Base64 字符串转换工具类
             *  文件转 Base64 字符串
             *  Base64 字符串转文件

## Base64 编码由来 ##

为什么会有Base64编码呢？因为有些网络传送渠道并不支持所有的字节，例如传统的邮件只支持可见字符的传送，像ASCII码的**控制字符**就不能通过邮件传送。这样用途就受到了很大的限制，比如图片二进制流的每个字节不可能全部是可见字符，所以就传送不了。最好的方法就是在不改变传统协议的情况下，做一种扩展方案来支持二进制文件的传送。把不可打印的字符也能用可打印字符来表示，问题就解决了。Base64编码应运而生，Base64就是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。

## 什么是 Base64 和 Base64 的使用场景 ##

### 什么是 Base64 ###

**Base64** 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 2⁶ = 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。相应的转换过程如下图所示：

![base64-convert][]

### Base64 的使用场景 ###

**Base64 常用于在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**。在 MIME 格式的电子邮件中，base64 可以用来将二进制的字节序列数据编码成 ASCII 字符序列构成的文本。使用时，在传输编码方式中指定 base64。使用的字符包括大小写拉丁字母各 26 个、数字 10 个、加号 + 和斜杠 /，共 64 个字符，等号 = 用来作为后缀用途。Base64 相应的索引表如下：

![base64-encode-table][]

## Base64 编码原理 ##

看一下Base64的索引表，字符选用了"A-Z、a-z、0-9、+、/" 64个可打印字符。数值代表字符的索引，这个是标准Base64协议规定的，不能更改。64个字符用6个bit位就可以全部表示，一个字节有8个bit位，剩下两个bit就浪费掉了，这样就不得不牺牲一部分空间了。这里需要弄明白的就是一个Base64字符是8个bit，但是有效部分只有右边的6个bit，左边两个永远是0。

那么怎么用6个有效bit来表示传统字符的8个bit呢？8和6的最小公倍数是24，也就是说3个传统字节可以由4个Base64字符来表示，保证有效位数是一样的，这样就多了1/3的字节数来弥补Base64只有6个有效bit的不足。

### Base64 编码过程 ###

1.  按照从左往右的规则，每三个字节作为一组，一共就是24个二进制位。
2.  将这24个二进制位分为四组，每组6个二进制位。
3.  之后在每组数据前面添加00，组成每个组8个二进制位，此时变成了32个二进制位，即四个字节
4.  四个字节在Base64 索引表查找得到的对应符号，base64编码完成

## Base64 解码原理 ##

解码原理是将4个字节转换成3个字节，先读入4个6位(用或运算)，每次左移6位，再右移3次，每次8位，这样就还原了。

## Base64 编码字符串实例 ##

了解了 Base64 编码原理，我们以编码 `Man` 字符串为例，来直观的感受一下编码过程。`Man` 由 M、a 和 n 3 个字符组成，它们对应的 ASCII 码为 77、97 和 110。

![char-m-ascii][]

接着我们以每 6 个比特为一个单元，进行 base64 编码操作，具体如下图所示：

![base64-encode-demo][]

由图可知，`Man` （3字节）编码的结果为 `TWFu`（4字节），很明显经过 base64 编码后体积会增加 1/3。`Man` 这个字符串的长度刚好是 3，我们可以用 4 个 base64 单元来表示。但如果待编码的字符串长度不是 3 的整数倍时，应该如何处理呢？

**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**

以编码字符 A 为例，其所占的字节数为 1，不能被 3 整除，需要补 2 个字节，具体如下图所示：

![base64-encode-a][]

由上图可知，字符 A 经过 base64 编码后的结果是 `QQ==`，该结果后面的两个 `=` 代表补足的字节数。而最后个 1 个 base64 字节块有 4 位是 0 值。

接着我们来看另一个示例，假设需编码的字符串为 `BC`，其所占字节数为 2，不能被 3 整除，需要补 1 个字节，具体如下图所示：

![base64-encode-bc][]

由上图可知，字符串 BC 经过 base64 编码后的结果是 `QkM=`，该结果后面的 1 个 `=` 代表补足的字节数。而最后个 1 个 base64 字节块有 2 位是 0 值。

## Base64 具体实现 ##

### 对字符串进行 Base64 编解码 ###

#### Encoder方式 ####

@Test
    public void testEncoder() { 
        String str = "thinkwon";
        // 使用基本编码
        String base64encodedString = Base64.getEncoder().encodeToString(str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        System.out.println("Base64 编码字符串 (基本) :" + base64encodedString);
    
        // 解码
        byte[] base64decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(base64encodedString);
        System.out.println("原始字符串: " + new String(base64decodedBytes, StandardCharsets.UTF_8));
    }

输出结果

Base64 编码字符串 (基本) :dGhpbmt3b24=
    原始字符串: thinkwon

#### UrlEncoder方式 ####

@Test
    public void testUrlEncoder() { 
        String str = "thinkwon";
        // 使用基本编码
        String base64encodedString = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        System.out.println("Base64 编码字符串 (URL) :" + base64encodedString);
    
        // 解码
        byte[] base64decodedBytes = Base64.getUrlDecoder().decode(base64encodedString);
        System.out.println("原始字符串: " + new String(base64decodedBytes, StandardCharsets.UTF_8));
    }

输出结果

Base64 编码字符串 (URL) :dGhpbmt3b24=
    原始字符串: thinkwon

#### MimeEncoder方式 ####

@Test
    public void testMimeEncoder() { 
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 2; ++i) { 
            stringBuilder.append(UUID.randomUUID().toString());
        }
        System.out.println("原始字符串: " + stringBuilder.toString());
    
        byte[] mimeBytes = stringBuilder.toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        String mimeEncodedString = Base64.getMimeEncoder().encodeToString(mimeBytes);
        System.out.println("Base64 编码字符串 (MIME) :");
        System.out.println(mimeEncodedString);
    
        byte[] decode = Base64.getMimeDecoder().decode(mimeEncodedString);
        System.out.println("解码字符串: " + new String(decode, StandardCharsets.UTF_8));
    }

输出结果

原始字符串: fb51e7aa-2303-4ffc-be8c-44de37b1417e783f2921-1a68-462e-a5e1-32d1ad6cc51a
    Base64 编码字符串 (MIME) :
    ZmI1MWU3YWEtMjMwMy00ZmZjLWJlOGMtNDRkZTM3YjE0MTdlNzgzZjI5MjEtMWE2OC00NjJlLWE1
    ZTEtMzJkMWFkNmNjNTFh
    解码字符串: fb51e7aa-2303-4ffc-be8c-44de37b1417e783f2921-1a68-462e-a5e1-32d1ad6cc51a

### 对文件进行 Base64 编解码 ###

#### 文件与 Base64 字符串转换工具类 ####

/** * 文件转化成base64字符串 * * @param path 文件路径 * @return String base64字符串 */
    public static String fileToBase64Str(String path) { 
        InputStream in = null;
        byte[] data = null;
        try { 
            in = new FileInputStream(new File(path));
            data = new byte[in.available()];
            in.read(data);
        } catch (Exception e) { 
            e.printStackTrace();
        } finally { 
            if (in != null) { 
                try { 
                    in.close();
                } catch (IOException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        // 对字节数组Base64编码
        return Base64.getMimeEncoder().encodeToString(data);
    }
    
    /** * 将base64字符串转换为文件并存储到指定位置 * * @param base64Str base64字符串 * @param filePath 文件路径 * @return boolean true表示转换成功，false表示转换失败 */
    public static boolean base64StrToFile(String base64Str, String filePath) { 
        if (base64Str == null && filePath == null) { 
            return false;
        }
        try { 
            Files.write(Paths.get(filePath), Base64.getMimeDecoder().decode(base64Str), StandardOpenOption.CREATE);
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace();
        }
        return true;
    }

#### 文件转 Base64 字符串 ####

@Test
    public void testFileToBase64() { 
        String base64 = fileToBase64Str("C:\\Users\\JourWon\\Desktop\\优秀.jpg");
        System.out.println(base64);
    }

输出结果

/9j/4AAQSkZJRgABAQAAAQABAAD/4S/vRXhpZgAATU0AKgAAAAgABgESAAMAAAABAAEAAAEaAAUA后面还有很长的字符串...

#### Base64 字符串转文件 ####

@Test
    public void testBase64ToFile() { 
        boolean b = base64StrToFile("/9j/4AAQSkZJRgABAQAAAQABAAD/4S/vRXhpZgAATU0AKgAAAAgABgESAAMAAAABAAEAAAEaAAUA后面还有很长的字符串...", "C:\\Users\\JourWon\\Desktop\\base64转图片.jpg");
        System.out.println(b);
    }

转换过程中可能存在的问题：

1.运行出现错误为：“常量字符串过长”

File >> Settings >> Build,Execution,Deployment >> Compiler >>Java Compiler，将 Use compiler 改为 Eclipse 即可

2.运行出现错误为：java.lang.IllegalArgumentException: Illegal base64 character a

注意base64StrToFile方法的decoder是Base64.getMimeDecoder()，不是Base64.getDecoder()

输出结果

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1RoaW5rV29u_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

[base64-convert]: /images/20210920/e7e11da434d94e8d91c46f6a974fd6b6.png
[base64-encode-table]: /images/20210920/f8d7812758a14679bb8769c30a233847.png
[char-m-ascii]: /images/20210920/9ef1209bb65d479c81fefb64494047ce.png
[base64-encode-demo]: /images/20210920/3f720686804a4895bf72d4050ddc92c1.png
[base64-encode-a]: /images/20210920/fd47d92630a94ca7a35da3f35ec974e8.png
[base64-encode-bc]: /images/20210920/54c44dd2bfb4494aa6ac72bf1b4d15e0.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1RoaW5rV29u_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20210920/909ce3b5681543048f14516588d4c4b9.png