Java 密码系列 - Java 和 JS Base 64

Base 64 不属于密码技术，仅是编码方式。但由于在 Java、JavaScript、区块链等出现的频率较高，故在本系列文章中首先分享 Base 64 编码技术。前面部分主要介绍 Base 64 理论性的内容，如果只看在 Java（SpringBoot）或 JS（Vue）中的实现，可以直接跳到最后。

本文所有代码可在 github 上获取：

后端代码搜索 hero-springboot-demo；

前端代码搜索 hero-vue3-demo。

1 Base 64 介绍

要说清楚 Base 64 编码，首先得从 byte 开始说。

1.1 关于byte

在 Java 中，byte 是 8 种基本数据类型之一。byte 类型表示字节，一个字节由 8 个 bit （比特/位）组成。每个 bit 位表示一个二进制，即 0 或 1。在操作系统中，byte 是数据存储的基本单位，如描述硬盘的大小是 512 MB，其基本单位就是 byte。

• bit：比特、位，每个 bit 不是 0 就是 1；
• byte：字节，数据存储的基本单位；
• 1 byte = 8 bit

在 Java 中可以通过 getBytes(StandardCharsets.UTF_8) 方法获取字符串的 byte 数组。

@Test
public void testStrBytes() {
    String str = "a";
    byte[] bytes = str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
    for (byte b : bytes) {
        System.out.println(b); // 97
        System.out.println(Integer.toBinaryString(b)); // 1100001
    }
}

字符 a 的 ASCII 码是 97，通过 Integer.toBinaryString(b) 方法，获取字节对应的 bit 字符串。二进制 1100001 对应的十进制为 97。

一个英文字符对应了1个 byte，即 8 个 bit；如果是 3个英文字符，则会对应 3 个 byte，也就是 3 * 8 = 24 个 bit。彻底弄清楚 byte 和 bit 后，接下来看看 Base 64 编码。

1.2 Base 64 组成

前面说过，Base 64 是一种编码方式，目的是提高可读性，不具有安全的功能。

从名字上看。64 是指 64 个字符，就是指这种编码方式得到的结果在这 64 个字符中。注意，不是说编码后的结果的长度为 64，而是组成编码结果每一位的字符都在 64 个字符之内。这 64 个字符包括：

• 大写 A - Z，共 26 个；
• 小写 a - z，共 26个；
• 数字 0 - 9，共 10 个；
• 两个符号：加号 + 和 斜线 /

26 + 26 + 10 + 2 = 64。

这 64 个字符各自对应一个值，依次为 0 - 63，例如 X 的码值为23， 如果某一位计算后的结果为 23，则该位为 X。 具体对应关系如下图所示：

在区块链中有种类似的编码 —— Base 58，与 Base 64 类似，在其基础上少了 6 个字符，这六个字符包括 斜线 和 加号 两个符号、看似双胞胎的字符：数字 0、小写字母 o、大写字母 I 和 小写字母 i。

1.3 Base 64 原理

在 1.1 中谈到一个字节 byte 为 8 个bit，那么一个字节的取值范围就是 00000000 - 11111111，对应的十进制为 0 - 255，而上表中的码值为 0 - 63，那 Base 64 是如何处理的呢，如何将所有字符、文字都控制在 0 - 63 之间呢？

• 首先进行分组。3 个字节分为一组，由于一个字节有 8 位（bit），一共就是 3 * 8 = 24 位；
• 接着分组转换。把上面的 24 位分成 4 组，每组就有 24 / 4 = 6 位（bit）
• 最后高位补0。由于一个字节 byte 为 8 位 bit，上面每组只有 6 位，于是就在高位补 0。

通过上面步骤，就将 3 个字节 byte 转换为 4 个字节 byte，且转换后的每个 byte 最高两位都为 0，意味着转换后的每个字节都在 00000000 - 00111111 之间，对应的十进制就是 0 - 63。

上面说按 3 个字节进行分组，但并非所有的字符或文本都是 3 的整数倍，这时候怎么办呢？当不够 3 位时，首先补 0 进行分组，计算得到结果后使用了几个 0 补齐就使用几个等号 = 来补齐。差一位就用一个等号，差两位就用两个等号。

举例：对字符串 ab 进行 Base64

字符串 ab 只占了两个字节，还差一位，于是最后一位补 0 来进行分组和计算，在最后使用一个等号=来补齐。计算过程如下图所示：

这样便得到字符串 ab Base 64 的结果为：YWI=

2 Java 实现

2.1 使用 java.util.Base64

JDK 中提供了 java.util.Base64 类来实现 Base 64 的编码和解码。

编码：

Base64.getEncoder().encodeToString(bytes);

解码：

Base64.getDecoder().decode(bytes);

2.2 使用 springframework

在 SpringBoot 中，springframework 对 java.util.Base64 进行了封装，提供了 org.springframework.util.Base64Utils 类方便进行编码和解码。

package com.yygnb.demo.crypto;

import org.junit.Test;
import org.springframework.util.Base64Utils;

import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Base64;

/**
 * Base64 编码解码测试
 */
public class Base64Test {

    /**
     * JDK Base64 编码
     */
    @Test
    public void testEncode() {
        String result = Base64.getEncoder().encodeToString("ab".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        System.out.println(result); // YWI=
    }

    /**
     * JDK Base64 解码
     */
    @Test
    public void testDecode() {
        byte[] decode = Base64.getDecoder().decode("YWI=");
        String plainText = new String(decode);
        System.out.println(plainText); // ab
    }

    /**
     * springframework Base64 编码
     */
    @Test
    public void testUtilsEncode() {
        String result = Base64Utils.encodeToString("ab".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        System.out.println(result); // YWI=
    }

    /**
     * springframework Base64 解码
     */
    @Test
    public void testUtilsDecode() {
        byte[] bytes = Base64Utils.decodeFromString("YWI=");
        System.out.println(new String(bytes)); // ab
    }
}

3 JS 实现

JS 在浏览器环境中有两种实现方式：基于原生 JS 和基于 js-base64。

3.1 使用原生 JS

编码：

window.btoa(unescape(encodeURIComponent(value)))

解码：

decodeURIComponent(escape(window.atob(value)))

使用这种方式不需要额外添加依赖，但是兼容性各种问题，不推荐使用。建议使用 js-base64 的方式。

3.2 使用 js-base64

js-base64 是使用较高的 Base 64 库，使用方便，兼容性和容错性较好，推荐使用这种方式。

1）安装依赖：

yarn add js-base64

2）引入 js-base64：

import { Base64 } from 'js-base64'

3）编码：

Base64.encode(value)

4）解码：

Base64.decode(value)

对应 demo 位于 src/views/base64.vue。

\/ 程序员优雅哥，今日学习到此结束~~~