Base64 编码原理 & C语言实现

2018-01-24 阅读量

作为电子邮件、图片等场景最常用的编码算法，Base64 的地位无可撼动。究其原因呢？我们很多协议要求数据传输只能由ASCII文本传输，而 ASCII 中 128 ~ 255 之间的值是不可见的，而在网络传输中经过的不同设备对于数据的处理方式不一，容易导致不可见字符出现一些不愿意见到的错误处理，这样就很不利于传输，所以通过一种编码进行转化为可见字符，统一按照普通字符进行处理，so…经过发展，就有了今天的 Base64。

Base64编码原理

Base64编码 之所以被称为 Base64，是因为它采用了64个字符来对任意数据进行编码，同理还有 base32、base16 编码。标准 Base64 使用的字符为：
Base64编码字符

Base64编码 本质上是一种将二进制数据转换成文本数据的方案。对于非二进制数据，是先将其转换成二进制形式，然后每连续 6bit（而 2的6次方 = 64）计算其十进制，根据该值在上面索引列表找到对应的字符，最终得到一个文本字符串。操作起来如下几点：

每 3个8bit 的字符为一组
针对每组，首先获取每个字符的 ASCII编码
将 ASCII编码 转换成 8bit二进制，得到一组 3 * 8 = 24bit 的字节
将 24bit 划分为 4 * 6bit字节，并在每个 6bit 的字节前面都填两个高位0，得到 4 * 8bit 字节
将 4 * 8bit 的字节转换成十进制，对照 Base64编码字符表 得到对应的字符串

例子走起：

字符串长度为 3 的整数，比如 abc
字符串长度不为 3 的整数，比如 abcd，后面有 2 * 6bit 属于补位字节，可以看成 “异常填充”，Base64字符对应 =，所以经常会看到有些数据最后是 = 结尾，视为结束符号，换句话说出现 = 则意味着结尾了

如果Base64编码字符串不会相互拼接再传输，那么最后的 = 也可以省略，解码时如果发现Base64编码字符串长度不能被4整除，则先补充 = 字符，再解码即可

解码是对编码的逆向操作，但注意一点：对于最后的两个 = 字符，转换成两个 A 字符，再转成对应的两个6比特二进制0值，接着转成原始字符之前，需要将最后的两个6比特二进制0值丢弃，因为它们实际上不携带有效信息

代码实现

示例项目源码: base64_principle.c

/*base64 编码原理*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <inttypes.h>
/*base64编/解码用的基础字符集*/
const char base64char[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
/**
 * ascii编码为base64格式
 *
 * @param const uint8_t bindata     ascii字符串输入
 * @param char          base64      base64字符串输出
 * @param int           binlength   bindata的长度
 *
 * @return int          base64字符串长度
 *
 */
static int base64_encode( const uint8_t *bindata, char *base64, int binlength)
{
    int i, j;
    uint8_t current;
    /*每三个字符, 即3*8bit*/
    for ( i = 0, j = 0 ; i < binlength ; i += 3 ) {
        /*前6bit*/
        current = (bindata[i] >> 2) ;
        current &= (uint8_t)0x3F;
        base64[j++] = base64char[(int)current];
        /*7~8bit*/
        current = ( (uint8_t)(bindata[i] << 4 ) ) & ( (uint8_t)0x30 ) ;
        /*就此结尾*/
        if ( i + 1 >= binlength ) {
            base64[j++] = base64char[(int)current];
            base64[j++] = '=';
            base64[j++] = '=';
            break;
        }
        /*9~12bit, 并连接7~8bit*/
        current |= ( (uint8_t)(bindata[i+1] >> 4) ) & ( (uint8_t) 0x0F );
        base64[j++] = base64char[(int)current];
        /*13~16bit*/
        current = ( (uint8_t)(bindata[i+1] << 2) ) & ( (uint8_t)0x3C ) ;
        /*就此结尾*/
        if ( i + 2 >= binlength ) {
            base64[j++] = base64char[(int)current];
            base64[j++] = '=';
            break;
        }
        /*17~18bit, 并连接13~16bit*/
        current |= ( (uint8_t)(bindata[i+2] >> 6) ) & ( (uint8_t) 0x03 );
        base64[j++] = base64char[(int)current];
        /*19~24bit*/
        current = ( (uint8_t)bindata[i+2] ) & ( (uint8_t)0x3F ) ;
        base64[j++] = base64char[(int)current];
    }
    base64[j] = '\0';
    return j;
}
int main (int argc, char **argv)
{
    if (argc < 2) {
        printf("input error \n");
        exit(0);
    }
    printf("input: %s \n", argv[1]);
    char *base64_str = calloc(1, 1024);
    base64_encode(argv[1], base64_str, strlen(argv[1]));
    printf("input base64: %s \n", base64_str);
    free(base64_str);
    return 0;   
}

本文作者： wettper
本文链接： http://www.web-lovers.com/c-base64-principle.html
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