一文搞懂Base64编码原理
Base64编码，是由64个字符组成编码集：26个大写字母A~Z，26个小写字母a~z，10个数字0~9，符号“+”与符号“/”。Base64编码的基本思路是将原始数据的三个字节拆分转化为四个字节，然后根据Base64的对应表，得到对应的编码数据。
当原始数据凑不够三个字节时，编码结果中会使用额外的符号“=”来表示这种情况。
Base64编码表
| 码值 | 字符 | 码值 | 字符 | 码值 | 字符 | 码值 | 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 | / |
Base64编码步骤
-
将原始数据按照每三个字节作为一组进行划分，每组一共是24个二进制位。
-
再将这24个二进制位，每6个一划分，分为四组（6×4=24个二进制位）。
-
然后在每组前面补上00，扩展成8×4=32个二进制位，即四个字节（因为每个字节前面有2个0，所以每个字节的最大值是63）。
-
最后根据Base64编码表，将这四个字节的码值，转换为对应的Base64的字符即可。
Base64编码过程举例
情况1：正常的3个字节编码
将单词“PCB”转换为Base64编码：
-
"P"、"C"、"B"的ASCII值分别是80、67、66，对应的二进制值是0101 0000、0100 0011、0100 0010，将它们连成一个24位的二进制字符串010100000100001101000010。
-
将这个24位的二进制字符串，每6个一组分成4组：010100、000100、001101、000010。
-
在每组前面加两个00，扩展成32个二进制位，即四个字节：00010100、00000100、00001101、00000010。它们的十进制值分别是19、22、5、46。(最前面加上两个0只是为了凑成一个字节，实际上其本身的数值是没有变化的)
-
根据上表，得到每个值对应Base64编码，即U、E、N、C。
情况2：剩余2个字节编码
对于2个字节（16个二进制数）的情况，比如将“PC”转换为Base64编码：
转换方法同上，区别在于：
-
16个二进制数，每6个一组分割，最后剩余4个，这时再在后面补两个0凑成6个。
-
然后还按照基础的方法转换，最后补一个“=”即可
转换过程如下表，最终将“PC”转换为了“UEM=”
情况3：剩余1个字节编码
对于12个字节（8个二进制数）的情况，比如将“P”转换为Base64编码：
转换方法同上，区别在于：
-
16个二进制数，每6个一组分割，最后剩余2个，后面要再补4个0
-
然后还按照基础的方法转换，最后补两个“=”即可
转换过程如下表，最终将“P”转换为了“UA==”
Base64编解码C程序
编码程序
编码的程序设计思路，就是按照上面讲解的编码过程，每3个原始字符为一组，进行编码，得到4个base64的字符。对于不够3个字符的情况，编码的base64的字符后面补上一到两个=号。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/*base64符号表*/
const char *base64Arr = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
/*base64增补符号*/
const char paddingChar = '=';
/** @func: base64_encode
* @brief: base64编码
* @para: [srcData]:要进行编码的原始数据
* [resBase64]:base64编码结果
* @return:none
*/
void base64_encode(const unsigned char * srcData, char * resBase64)
{
int i=0; /*原始数据索引*/
int j=0; /*base64结果索引*/
unsigned char transIdx=0; // 索引是8位，但是高两位都为0
const int srcLen = strlen((const char*)srcData);
/*每3个一组，进行编码*/
for(i=0; i < srcLen; i+=3)
{
/*取出第1个字符的高6位*/
transIdx = ((srcData[i] >> 2) & 0x3f); /*0011 1111*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
/*取出第1个字符的低2位*/
transIdx = ((srcData[i] << 4) & 0x30); /*0011 0000*/
/*第1个字符后面还有字符*/
if (i + 1 < srcLen)
{
/*取出第2个字符的高4位，并与第1个字符的低2位进行组合*/
transIdx |= ((srcData[i + 1] >> 4) & 0x0f); /*0000 1111*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
}
else /*第1个字符后面没有字符了*/
{
/*直接使用第1个字符的低2位查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
/*然后补上两个=号*/
resBase64[j++] = paddingChar;
resBase64[j++] = paddingChar;
break; /*没有数据了，break结束*/
}
/*取出第2个字符的低4位*/
transIdx = ((srcData[i + 1] << 2) & 0x3c); /*0011 1100*/
/*第2个字符后面还有字符*/
if (i + 2 < srcLen)
{
/*取出第3个字符的高2位，并与第2个字符的低4位进行组合*/
transIdx |= ((srcData[i + 2] >> 6) & 0x03); /*0000 0011*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
/*取出第3个字符的低6位*/
transIdx = srcData[i + 2] & 0x3f; /*0011 1111*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
}
else /*第2个字符后面没有字符了*/
{
/*直接使用第2个字符的低4位查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
/*然后补上一个=号*/
resBase64[j++] = paddingChar;
break; /*没有数据了，break结束*/
}
}
/*结束符*/
resBase64[j] = '\0';
}解码程序
解码的程序设计思路，其实就是编码的反过程，把要解码的base64符号，每4个为一组，译码成3个字符。对于最后出现的=的情况，就说明是要结束了，直接使用剩余的base64符号进行译码，然后就结束了。
/** @func: idx_in_base64Arr
* @brief: 在base64符号表中查找字符c对应的索引值
* @para: [c]:要查找的字符
* @return:字符c在base64符号表中对应的索引值(0~63)
*/
int idx_in_base64Arr(char c)
{
/*在base64表中搜索第一次出现字符c的位置*/
const char *pIdx = strchr(base64Arr, c);
if (NULL == pIdx)
{
/*找不到对应的base64字符，说明输入的base64字符串有误*/
return -1;
}
/*返回字符c在base64表中的位置*/
return (pIdx - base64Arr);
}
/** @func: base64_decode
* @brief: base64解码
* @para: [srcBase64]:要进行解码的原始base64数据
* [resData]:解码出的结果
* @return:none
*/
void base64_decode(const char *srcBase64, unsigned char *resData)
{
int i = 0; /*原始base64数据索引*/
int j = 0; /*解码后的结果数据索引*/
int trans[4] = {0,0,0,0}; /*4个base64符号对应的表中的位置（0~63的数字）转换值*/
/*base64符号每4个一组，译码成3个字符*/
for (i=0; srcBase64[i]!='\0'; i+=4)
{
/*------译码第1个字符------*/
/*前2个base64符号在表中的位置（0~63的数字）*/
trans[0] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i]);
trans[1] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i+1]);
/*第1个符号的后6位，与第2个符号的6、5位，译出第1个字符*/
resData[j++] = ((trans[0] << 2) & 0xfc) | ((trans[1]>>4) & 0x03); /*1111 1100 0000 0011 */
/*------译码第2个字符------*/
/*第3个base64符号是否是=号*/
if (srcBase64[i+2] != '=')
{
/*第3个base64符号在表中的位置（0~63的数字）*/
trans[2] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i + 2]);
}
else
{
break;/*没有数据了，break结束*/
}
/*第2个符号的后4位，与第3个符号的6、5、4、3位，译出第2个字符*/
resData[j++] = ((trans[1] << 4) & 0xf0) | ((trans[2] >> 2) & 0x0f); /*1111 0000 0000 1111*/
/*------译码第3个字符------*/
/*第4个base64符号是否是=号*/
if (srcBase64[i + 3] != '=')
{
/*第4个base64符号在表中的位置（0~63的数字）*/
trans[3] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i + 3]);
}
else
{
break;/*没有数据了，break结束*/
}
/*第3个符号的后2位，与第4个符号的后6位，译出第3个字符*/
resData[j++] = ((trans[2] << 6) & 0xc0) | (trans[3] & 0x3f); /*1100 0000 0011 1111*/
}
/*结束符*/
resData[j] = '\0';
}测试程序
使用字符串“PCB”进行base64编码测试，然后再将编码得到的结果，进行解码测试。
/*测试*/
int main()
{
/*定义要进行base64编码的字符串*/
const unsigned char *srcData = "PCB" ;
/*先测试编码*/
char base64[128];
base64_encode(srcData, base64);
printf("base64编码：%s\n",base64);
/*再测试解码*/
char resData[128];
base64_decode(base64, (unsigned char*)resData);
printf("base64解码：%s", resData);
return 0;
}输出结果如下，可以看出，“PCB”进行base64编码，得到了“UENC”，然后再反向解码，又得到了“PCB”
base64编码：UENC
base64解码：PCB
--------------------------------
Process exited after 0.01123 seconds with return value 0
请按任意键继续. . .完整程序可从我的gitee仓库下载：https://gitee.com/xxpcb/c-test/tree/master/C-Base64-Test
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