Base64编码原理&代码实现

Base64编码原理

首先，Base64编码有什么用呢？

传输：用于将二进制数据编码成文本数据进行传输，比如图片的传输等...
加密：通过修改索引表进行编码，没有索引表就很难解码
还有啥用我就不知道了

其次，Base64编码是怎么一回事？

Base64一句话概括：就是把二进制数据按位切割形成索引，通过索引映射到索引表中的可见字符，用这个可见字符来代替二进制数据传输

因为一个字节的二进制数据有8位，数据范围是0~255，可见字符比这少多了，不能直接用这8位数据来索引可见字符

所以需要进行切割，拿出一部分位来进行当索引，根据ASCII码表，可见字符数量有26个大写字母+26个小写字母+10个数字+27个符号 = 89个：

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直接用二进制位来当索引的话，需要取2的倍数个字符来当索引表，最大能取到2的6次方，也就是64个字符来作为索引表，索引需要6个二进制位（所以编码叫Base64，同理也有Base32，Base16等），通常默认使用的Base64索引表是这样的：

于是需要把二进制数据以6位一划分，每6位获得一个索引号，根据索引号来转换可见字符，如下图所示，这里的二进制数据是字符串，每个字符都6位一分，得到索引号，使用索引号对应索引表得到一个可见字符，组成Base64编码

每3个字节，就能获得4个索引号，当不满3个字节时，有两种情况如下图所示，当索引号6位没有完整填充时，则会在索引号6位的空位填充0，如果索引位6位全是空的，则直接使用=字符（填充字符）代替索引获取字符

图来自：base64加密原理详解_小白-CSDN博客_base64加密

原理部分介绍到此结束，接下来代码实现一下

Base64编码代码实现

代码比较简单，所以也没啥注释，要注意一下，这里的关键点在于位运算（对位的切割与拼接）

测试环境：

Windows 10 21H1
Visual Studio 2019

Base64.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

class Base64calc
{
public:
	Base64calc();
	Base64calc(char * newIndexTable,char newEntrychar = '=');
	~Base64calc();

public:
	void printIndexTable();
	char getIndex(char encodeChar);
	std::string encodeBase64(char* unencodeStr);
	std::string decodeBase64(char* encodeStr);
private:
	char indexTable[64];	// 索引表，需要64位，支持通过字符数组设定
	char entryChar;		// 空白填充符
};

Base64.cpp

#include "Base64.h"

Base64calc::Base64calc()
{
	// 生成默认索引表
	for (int i = 0; i < 64;i++ ) {
		if (i <= 25) {
			indexTable[i] = 'A' + i;
		}
		else if (i > 25 && i <= 51) {
			indexTable[i] = 'a' + i - 26;
		}
		else if(i>51 && i<=61){
			indexTable[i] = '0' + i - 52;
		}
		else {
			if (i == 62) {
				indexTable[i] = '+';
			}
			if (i == 63) {
				indexTable[i] = '/';
			}
		}
	}
	entryChar = '=';
}


Base64calc::Base64calc(char* newIndexTable, char newEntrychar)
{
	memcpy(indexTable, newIndexTable, 64);
	entryChar = newEntrychar;
}

Base64calc::~Base64calc()
{

}

void Base64calc::printIndexTable()
{
	if (indexTable != NULL) {
		printf("IndexTable: ");
		for (int i = 0; i < 64; i++)
		{
			std::cout << indexTable[i];
		}
		std::cout << std::endl;
	}
}

char Base64calc::getIndex(char encodeChar)
{
	for (char i = 0; i < 64; i++)
	{
		if (encodeChar == indexTable[i])return i;
	}
	return -1;
}


std::string Base64calc::encodeBase64(char* unencodeStr)
{
	std::string retStr;
	int strLength = strlen(unencodeStr);
	
	// 计算能完整转换的字节部分
	for (int i = 0; i < strLength - strLength % 3; i += 3) {
		char byte1 = unencodeStr[i];
		char byte2 = unencodeStr[i+1];
		char byte3 = unencodeStr[i+2];

		retStr += indexTable[byte1 >> 2];
		retStr += indexTable[byte2 >> 4 | (byte1 & 0x03) << 4];
		retStr += indexTable[byte3 >> 6 | (byte2 & 0x0F) << 2];
		retStr += indexTable[byte3 & 0x3F];
	}

	// 缺2字节时
	if (strLength % 3 == 1) {
		char byte = unencodeStr[strLength - 1];

		retStr += indexTable[byte >> 2];
		retStr += indexTable[(byte & 0x03) << 4];
		retStr += entryChar;
		retStr += entryChar;
	}

	// 缺1字节时
	if (strLength % 3 == 2) {
		char byte1 = unencodeStr[strLength - 2];
		char byte2 = unencodeStr[strLength - 1];

		retStr += indexTable[byte1 >> 2];
		retStr += indexTable[byte2 >> 4 | (byte1 & 0x03) << 4];
		retStr += indexTable[(byte2 & 0x0F) << 2];
		retStr += entryChar;
	}
	return retStr;
}

std::string Base64calc::decodeBase64(char* encodeStr)
{
	std::string retStr;
	int strLength = strlen(encodeStr);

	// 计算能完整转换的字节部分
	for (int i = 0; i < strLength; i += 4) {
		char byte1 = encodeStr[i];
		char byte2 = encodeStr[i + 1];
		char byte3 = encodeStr[i + 2];
		char byte4 = encodeStr[i + 3];

		retStr += (char)(getIndex(byte1) << 2) | (getIndex(byte2) >> 4);
		if (byte3 != '=')
			retStr += (getIndex(byte2) << 4) | (getIndex(byte3) >> 2);
		if (byte4 != '=')
			retStr += (getIndex(byte3) << 6) | (getIndex(byte4));
	}
	return retStr;
}

entry.cpp 测试代码

#include "Base64.h"
#include <iostream>
#include <string>

int main() {
	std::string str = "Hello selph";
	std::cout << "oriStr：" << str << std::endl;
	std::cout << std::endl;

	// 标准Base64索引表编码解码
	Base64calc test;
	test.printIndexTable();
	std::string encode = test.encodeBase64((char*)str.data());
	std::string decode = test.decodeBase64((char*)encode.data());
	std::cout << "encode：" << encode << std::endl;
	std::cout << "decode：" << decode << std::endl;

	std::cout << std::endl;

	// 自定义Base64索引表编码解码
	char* myIndexTable =(char*) "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz!@#$%^&*()ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ<>";
	Base64calc testCostom(myIndexTable, 'a');
	testCostom.printIndexTable();
	std::string encode1 = testCostom.encodeBase64((char*)str.data());
	std::string decode1 = testCostom.decodeBase64((char*)encode1.data());
	std::cout << "encode：" << encode1 << std::endl;
	std::cout << "decode：" << decode1 << std::endl;
	return 0;
}

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