??在互聯網中的每一刻，你可能都在享受著Base64帶來的便捷，但對于Base64的基礎原理又了解多少？今天這篇博文帶領大家了解一下Base64的底層實現。
Base64編碼的由來
??目前Base64已經成為網絡上常見的傳輸8Bit字節代碼的編碼方式之一。在做支付系統時，系統之間的報文交互都需要使用Base64對明文進行轉碼，然后再進行簽名或加密，之后再進行（或再次Base64）傳輸。那么，Base64到底起到什么作用呢？
??在參數傳輸的過程中經常遇到的一種情況：使用全英文的沒問題，但一旦涉及到中文就會出現亂碼情況。與此類似，網絡上傳輸的字符并不全是可打印的字符，比如二進制文件、圖片等。Base64的出現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制的數據的一種方法。
??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、日文等文字的用戶也有需求，但這些字符并不能被服務器或網關有效處理，因此Base64就登場了。隨之，Base64在URL、Cookie、網頁傳輸少量二進制文件中也有相應的使用。
Base64的編碼原理
??Base64的原理比較簡單，每當我們使用Base64時都會先定義一個類似這樣的數組：
['A', 'B', 'C', ... 'a', 'b', 'c', ... '0', '1', ... '+', '/']
??上面就是Base64的索引表，字符選用了"A-Z、a-z、0-9、+、/" 64個可打印字符，這是標準的Base64協議規定。在日常使用中我們還會看到“=”或“==”號出現在Base64的編碼結果中，“=”在此是作為填充字符出現，后面會講到。
具體轉換步驟
- 第一步，將待轉換的字符串每三個字節分為一組，每個字節占8bit，那么共有24個二進制位。
- 第二步，將上面的24個二進制位每6個一組，共分為4組。
- 第三步，在每組前面添加兩個0，每組由6個變為8個二進制位，總共32個二進制位，即四個字節。
- 第四步，根據Base64編碼對照表（見下表）獲得對應的值。
Base64編碼表
| 碼值 | 字符 | 碼值 | 字符 | 碼值 | 字符 | 碼值 | 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 | / |
從上面的步驟我們發現：
- Base64字符表中的字符原本用6個bit就可以表示，現在前面添加2個0，變為8個bit，會造成一定的浪費。因此，Base64編碼之后的文本，要比原文大約三分之一。
- 為什么使用3個字節一組呢？因為6和8的最小公倍數為24，三個字節正好24個二進制位，每6個bit位一組，恰好能夠分為4組。
示例說明
以下圖的表格為示例，我們具體分析一下整個過程。
- 第一步：“d”、“o”、"g"對應的ASCII碼值分別為100，111，103，對應的二進制值是01100100、01101111、01100111。如圖第3、4行所示，由此組成一個24位的二進制字符串。
- 第二步：如圖第4行，將24位每6位二進制位一組分成四組。
- 第三步：在上面每一組前面補兩個0，擴展成32個二進制位，此時變為四個字節：00010011、00010110、00000101、00101110。分別對應的值（Base64編碼索引）為：25、6、61、39。
- 第四步：用上面的值在Base64編碼表中進行查找，分別對應：Z、G、9、n。因此“dog”Base64編碼之后就變為：ZG9n。
終端命令行驗證
# 把桌面的demo.json文件base64加密
cd Desktop/
base64 demo.json -o demo.txt # 加密, -o 后面跟著是輸出目錄
base64 -D demo.txt -o 123.json # 解密, -o 后面跟著是輸出目錄
# 把"Mac"字符串進行base64加密,并回顯輸出
echo -n "dog" | base64
# 把"ZG9n"字符串通過base64解密,并回顯輸出
echo -n "ZG9n" | base64 -D
位數不足情況
??上面是按照三個字節來舉例說明的，如果字節數不足三個，那么該如何處理？
- 一個字節：一個字節共8個二進制位，依舊按照規則進行分組。此時共8個二進制位，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數據，都用“=”補上。因此，上圖中“d”轉換之后為“ZA==”；
- 兩個字節：兩個字節共16個二進制位，依舊按照規則進行分組。此時總共16個二進制位，每6個一組，則第三組缺少2位，用0補齊，得到三個Base64編碼，第四組完全沒有數據則用“=”補上。因此，上圖中“do”轉換之后為“ZG8=”；
- 三個字節：三個字節共24個二進制位，依舊按照規則進行分組。此時總共24個二進制位，每6個一組，剛好分為4組，無需補齊。因此，上圖中“dog”轉換之后為“ZG9n”；
注意事項
- 大多數編碼都是由字符串轉化成二進制的過程，而Base64的編碼則是從二進制轉換為字符串。與常規恰恰相反。
- Base64編碼主要用在傳輸、存儲、表示二進制領域，不能算得上加密，只是無法直接看到明文。也可以通過打亂Base64編碼來進行加密。
- 中文有多種編碼（比如：utf-8、gb2312、gbk等），不同編碼對應Base64編碼結果都不一樣。
延伸
??上面我們已經看到了Base64就是用6位（2的6次冪就是64）表示字符，因此成為Base64。同理，Base32就是用5位，Base16就是用4位。大家可以按照上面的步驟進行演化一下。
Objective-C代碼驗證
??最后，我們用一段Objective-C代碼來驗證一下上面的轉換結果。
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSLog(@"編碼：%@",[self base64Encode:@"dog"]);
NSLog(@"解碼：%@",[self base64Decode:@"ZG9n"]);
}
//字符串轉base64編碼
-(NSString *)base64Encode:(NSString *)string{
NSData * data = [string dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
return [data base64EncodedStringWithOptions:0];
}
//base64轉字符串
-(NSString *)base64Decode:(NSString *)str{
NSData * data = [[NSData alloc] initWithBase64EncodedString:str options:0];
return [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding];
}
打印結果為：
base64Demo[4947:200140] 編碼：ZG9n
base64Demo[4947:200140] 解碼：dog
以上結果與我們分析所得完全一致。
