关于base64编码的原理及实现

2022-01-21 08:57:31

我们的图片大部分都是可以转换成base64编码的data：image。这个在将canvas保存为img的时候尤其有用。虽然除ie外，大部分现代浏览器都已经支持原生的基于base64的encode和decode，例如btoa和atob。（将canvas画布保存成img并强制改变mimetype进行下载，会在下一篇记录）

但是处于好奇心，还是驱使我去了解下base64编码的原理。以便也在不支持原生base64编码的ie下可以得以实现。

【Base64】
-base64的编码都是按字符串长度，以每3个8bit的字符为一组，
-然后针对每组，首先获取每个字符的ASCII编码，
-然后将ASCII编码转换成8bit的二进制，得到一组3*8=24bit的字节
-然后再将这24bit划分为4个6bit的字节，并在每个6bit的字节前面都填两个高位0，得到4个8bit的字节
-然后将这4个8bit的字节转换成10进制，对照Base64编码表（下表），得到对应编码后的字符。

（注：1. 要求被编码字符是8bit的，所以须在ASCII编码范围内，\u0000-\u00ff，中文就不行。
　　　2. 如果被编码字符长度不是3的倍数的时候，则都用0代替，对应的输出字符为=）

Base64 编码表
Value	Char	Value	Char	Value	Char	Value	Char
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	/

比如举下面2个例子：
a) 字符长度为能被3整除时：比如“Tom” ：

            T           o           m
ASCII:      84          111         109
8bit字节:   01010100    01101111    01101101
6bit字节:     010101      000110      111101      101101
十进制:     21          6           61          45
对应编码:   V           G           9           t

所以，btoa('Tom') = VG9t

b) 字符串长度不能被3整除时，比如“Lucy”：

            L           u           c           y
ASCII:      76          117         99          121
8bit字节:   01001100    01110101    01100011    01111001      00000000    00000000
6bit字节:     010011      000111      010101      100011      011110  010000  000000  000000
十进制:     19          7           21          35             30      16      (异常) (异常)      
对应编码:   T           H           V           j               e       Q       =       =

由于Lucy只有4个字母，所以按3个一组的话，第二组还有两个空位，所以需要用0来补齐。这里就需要注意，因为是需要补齐而出现的0，所以转化成十进制的时候就不能按常规用base64编码表来对应，所以不是a，可以理解成为一种特殊的“异常”，编码应该对应“=”。

有了上面的理论，那我们实现一个base64编码就容易了。

/**
 * base64 encoding & decoding
 * for fixing browsers which don't support Base64 | btoa |atob
 */

(function (win, undefined) {

     var Base64 = function () {
        var base64hash = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/';

        // btoa method
        function _btoa (s) {
            if (/([^\u0000-\u00ff])/.test(s)) {
                throw new Error('INVALID_CHARACTER_ERR');
            }    
            var i = 0,
                prev,
                ascii,
                mod,
                result = [];

            while (i < s.length) {
                ascii = s.charCodeAt(i);
                mod = i % 3;

                switch(mod) {
                    // 第一个6位只需要让8位二进制右移两位
                    case 0:
                        result.push(base64hash.charAt(ascii >> 2));
                        break;
                    //第二个6位 = 第一个8位的后两位 + 第二个8位的前4位
                    case 1:
                        result.push(base64hash.charAt((prev & 3) << 4 | (ascii >> 4)));
                        break;
                    //第三个6位 = 第二个8位的后4位 + 第三个8位的前2位
                    //第4个6位 = 第三个8位的后6位
                    case 2:
                        result.push(base64hash.charAt((prev & 0x0f) << 2 | (ascii >> 6)));
                        result.push(base64hash.charAt(ascii & 0x3f));
                        break;
                }

                prev = ascii;
                i ++;
            }

            // 循环结束后看mod, 为0 证明需补3个6位，第一个为最后一个8位的最后两位后面补4个0。另外两个6位对应的是异常的“=”；
            // mod为1，证明还需补两个6位，一个是最后一个8位的后4位补两个0，另一个对应异常的“=”
            if(mod == 0) {
                result.push(base64hash.charAt((prev & 3) << 4));
                result.push('==');
            } else if (mod == 1) {
                result.push(base64hash.charAt((prev & 0x0f) << 2));
                result.push('=');
            }

            return result.join('');
        }

        // atob method
        // 逆转encode的思路即可
        function _atob (s) {
            s = s.replace(/\s|=/g, '');
            var cur,
                prev,
                mod,
                i = 0,
                result = [];

            while (i < s.length) {
                cur = base64hash.indexOf(s.charAt(i));
                mod = i % 4;

                switch (mod) {
                    case 0:
                        //TODO
                        break;
                    case 1:
                        result.push(String.fromCharCode(prev << 2 | cur >> 4));
                        break;
                    case 2:
                        result.push(String.fromCharCode((prev & 0x0f) << 4 | cur >> 2));
                        break;
                    case 3:
                        result.push(String.fromCharCode((prev & 3) << 6 | cur));
                        break;

                }

                prev = cur;
                i ++;
            }

            return result.join('');
        }

        return {
            btoa: _btoa,
            atob: _atob,
            encode: _btoa,
            decode: _atob
        };
    }();

    if (!win.Base64) { win.Base64 = Base64 }
    if (!win.btoa) { win.btoa = Base64.btoa }
    if (!win.atob) { win.atob = Base64.atob }

 })(window)

Base64 example

码农公寓

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