Java 8中的Base64編碼和解碼

轉自：https://juejin.im/post/5c99b2976fb9a070e76376cc

 

Java 8會因為將lambdas，流，新的日期/時間模型和Nashorn JavaScript引擎引入Java而被記住。有些人還會記得Java 8，因為它引入了各種小但有用的功能，例如Base64 API。什么是Base64以及如何使用此API？這篇文章回答了這些問題。

什么是Base64？

Base64

是一種二進制到文本編碼方案，通過將二進制數據轉換為基數-64表示，以可打印的 ASCII字符串格式表示二進制數據。每個Base64數字恰好代表6位二進制數據。

Base64請求評論文件

在RFC 1421中首次描述了Base64（但沒有命名）：Internet電子郵件的隱私增強：第一部分：消息加密和認證過程。后來，它在RFC 2045中正式呈現為Base64 ：多用途Internet郵件擴展（MIME）第一部分：Internet消息體的格式，隨后在RFC 4648：Base16，Base32和Base64數據編碼中重新訪問。

Base64用於防止數據在傳輸過程中通過信息系統（例如電子郵件）進行修改，這些信息系統可能不是8-bit clean（它們可能是8位值）。例如，您將圖像附加到電子郵件消息，並希望圖像到達另一端而不會出現亂碼。您的電子郵件軟件對圖像進行Base64編碼並將等效文本插入到郵件中，如下圖所示：

Content-Disposition: inline;
    filename=IMG_0006.JPG
Content-Transfer-Encoding: base64

/9j/4R/+RXhpZgAATU0AKgAAAAgACgEPAAIAAAAGAAAAhgEQAAIAAAAKAAAAjAESAAMAAAABAAYA
AAEaAAUAAAABAAAAlgEbAAUAAAABAAAAngEoAAMAAAABAAIAAAExAAIAAAAHAAAApgEyAAIAAAAU
AAAArgITAAMAAAABAAEAAIdpAAQAAAABAAAAwgAABCRBcHBsZQBpUGhvbmUgNnMAAAAASAAAAAEA
...
NOMbnDUk2bGh26x2yiJcsoBIrvtPe3muBbTRGMdeufmH+Nct4chUXpwSPk/qK9GtJRMWWVFbZ0JH
I4rf2dkZSbOjt7hhEzwcujA4I7Gust75pYVwAPpXn+kzNLOVYD7xFegWEKPkHsM/pU1F0NKbNS32
o24sSCOlaaFYLUhjky4x9PSsKL5bJsdWkAz3xirH2dZLy1DM2C44zx1FZqL2PTXY/9k=

插圖顯示此編碼圖像以/開頭和結尾=。在...表明未展示的文字。請注意，此示例或任何其他示例的整個編碼比原始二進制數據大大約33％。

收件人的電子郵件軟件將對編碼的文本圖像進行Base64解碼，以恢復原始二進制圖像。對於此示例，圖像將與消息的其余部分一起顯示。

Base64編碼和解碼

Base64依賴於簡單的編碼和解碼算法。它們使用65個字符的US-ASCII子集，其中前64個字符中的每一個都映射到等效的6位二進制序列。這是字母表：

Value Encoding  Value Encoding  Value Encoding  Value Encoding
    0 A            17 R            34 i            51 z
    1 B            18 S            35 j            52 0
    2 C            19 T            36 k            53 1
    3 D            20 U            37 l            54 2
    4 E            21 V            38 m            55 3
    5 F            22 W            39 n            56 4
    6 G            23 X            40 o            57 5
    7 H            24 Y            41 p            58 6
    8 I            25 Z            42 q            59 7
    9 J            26 a            43 r            60 8
   10 K            27 b            44 s            61 9
   11 L            28 c            45 t            62 +
   12 M            29 d            46 u            63 /
   13 N            30 e            47 v
   14 O            31 f            48 w         (pad) =
   15 P            32 g            49 x
   16 Q            33 h            50 y

第65個字符（=）用於將Base64編碼的文本填充到整數大小，如下所述。

編碼算法接收8位字節的輸入流。假定該流首先以最高有效位排序：第一位是第一個字節中的高位，第八位是該字節中的低位，依此類推。

從左到右，這些字節被組織成24位組。每組被視為四個連接的6位組。每個6位組索引為64個可打印字符的數組; 輸出結果字符。

當在編碼數據的末尾有少於24位可用時，添加零位（在右側）以形成整數個6位組。然后，可以輸出一個或兩個=填充字符。有兩種情況需要考慮：

• 一個剩余字節：將四個零位附加到該字節以形成兩個6位組。每個組索引數組並輸出結果字符。在這兩個字符之后，輸出兩個=填充字符。
• 剩下的兩個字節：兩個零位附加到第二個字節，形成三個6位組。每個組索引數組並輸出結果字符。在這三個字符之后，輸出一個=填充字符。

讓我們考慮三個例子來了解編碼算法的工作原理。首先，假設我們希望編碼@!*：

Source ASCII bit sequences with prepended 0 bits to form 8-bit bytes:
@        !        *
01000000 00100001 00101010

Dividing this 24-bit group into four 6-bit groups yields the following:
010000 | 000010 | 000100 | 101010

These bit patterns equate to the following indexes:
16 2 4 42

Indexing into the Base64 alphabet shown earlier yields the following encoding:
QCEq

我們將繼續將輸入序列縮短為@!：

Source ASCII bit sequences with prepended 0 bits to form 8-bit bytes:
@        !       
01000000 00100001

Two zero bits are appended to make three 6-bit groups:
010000 | 000010 | 000100

These bit patterns equate to the following indexes:
16 2 4

Indexing into the Base64 alphabet shown earlier yields the following encoding:
QCE

An = pad character is output, yielding the following final encoding:
QCE=

最后一個示例將輸入序列縮短為@：

Source ASCII bit sequence with prepended 0 bits to form 8-bit byte:
@       
01000000

Four zero bits are appended to make two 6-bit groups:
010000 | 000000

These bit patterns equate to the following indexes:
16 0

Indexing into the Base64 alphabet shown earlier yields the following encoding:
QA

Two = pad characters are output, yielding the following final encoding:
QA==

解碼算法是編碼算法的逆。但是，檢測到不在Base64字母表中的字符或填充字符數不正確時，可以自由采取適當的措施。

Base64變種

已經設計了幾種Base64變體。一些變體要求編碼的輸出流被分成多行固定長度，每行不超過一定的長度限制，並且（最后一行除外）通過行分隔符與下一行分開（回車\r后跟一行換行\n）。我描述了Java 8的Base64 API支持的三種變體。查看Wikipedia的Base64條目以獲取完整的變體列表。

Basic

RFC 4648描述了一種稱為

Basic

的Base64變體。此變體使用RFC 4648和RFC 2045的表1中所示的Base64字母表（並在本文前面所示）進行編碼和解碼。編碼器將編碼的輸出流視為一行; 沒有輸出行分隔符。解碼器拒絕包含Base64字母表之外的字符的編碼。請注意，可以覆蓋這些和其他規定。

MIME

RFC 2045描述了一種稱為

MIME

的Base64變體。此變體使用RFC 2045的表1中提供的Base64字母表進行編碼和解碼。編碼的輸出流被組織成不超過76個字符的行; 每行（最后一行除外）通過行分隔符與下一行分隔。解碼期間將忽略Base64字母表中未找到的所有行分隔符或其他字符。

URL and Filename Safe

RFC 4648描述了一種稱為

URL和文件名安全

的Base64變體。此變體使用RFC 4648的表2中提供的Base64字母表進行編碼和解碼。字母表與前面顯示的字母相同，只是-替換+和_替換/。不輸出行分隔符。解碼器拒絕包含Base64字母表之外的字符的編碼。

Base64編碼在冗長的二進制數據和HTTP GET請求的上下文中很有用。我們的想法是對這些數據進行編碼，然后將其附加到HTTP GET URL。如果使用Basic或MIME變體，則編碼數據中的任何+或/字符必須被URL編碼為十六進制序列（+變為%2B和/變為%2F）。生成的URL字符串會稍長一些。通過更換+同-和/同_，URL和文件名安全消除了對URL編碼器/解碼器（和它們的編碼值的長度影響）的需要。此外，當編碼數據用於文件名時，此變體很有用，因為Unix和Windows文件名不能包含/。

使用Java的Base64 API

Java 8引入一個Base64 API，包括java.util.Base64類及其嵌套static類Encoder和Decoder。Base64有幾種獲取編碼器和解碼器的static方法：

• Base64.Encoder getEncoder()：返回Basic變體的編碼器。
• Base64.Decoder getDecoder()：返回Basic變體的解碼器。
• Base64.Encoder getMimeEncoder()：返回MIME變體的編碼器。
• Base64.Encoder getMimeEncoder(int lineLength, byte[] lineSeparator)：返回具有給定lineLength的已修改MIME變體的編碼器（向下舍入到最接近的4的倍數 - 輸出在lineLength<= 0 時不分成行）和lineSeparator。當lineSeparator包含RFC 2045的表1中列出的任何Base64字母字符時，它會拋出java.lang.IllegalArgumentException。 getMimeEncoder()方法返回的RFC 2045編碼器是相當嚴格的。例如，該編碼器創建具有76個字符的固定行長度（最后一行除外）的編碼文本。如果您希望編碼器支持RFC 1421，它指定固定行長度為64個字符，則需要使用getMimeEncoder(int lineLength, byte[] lineSeparator)。
• Base64.Decoder getMimeDecoder()：返回MIME變體的解碼器。
• Base64.Encoder getUrlEncoder()：返回URL和Filename Safe變體的編碼器。
• Base64.Decoder getUrlDecoder()：返回URL和Filename Safe變體的解碼器。

Base64.Encoder提出了幾種用於編碼字節序列的線程安全實例方法 將空引用傳遞給以下方法之一會導致java.lang.NullPointerException：

• byte[] encode(byte[] src)：將src所有字節編碼到新分配的字節數組中，然后返回結果。
• int encode(byte[] src, byte[] dst)：編碼src所有字節到dst（開始於偏移0）。如果dst不足以保存編碼，則拋出IllegalArgumentException。否則，返回寫入dst的字節數。
• ByteBuffer encode(ByteBuffer buffer)：將buffer所有剩余字節編碼到新分配的java.nio.ByteBuffer對象中。返回后，buffer的position將更新到它的limit; 它的limit不會改變。返回的輸出緩沖區的position將為零，其limit將是結果編碼字節的數量。
• String encodeToString(byte[] src)：將src所有字節編碼為一個字符串，並返回該字符串。調用此方法等同於執行new String(encode(src), StandardCharsets.ISO_8859_1)。
• Base64.Encoder withoutPadding()：返回與此編碼器等效編碼的編碼器，但不在編碼字節數據的末尾添加任何填充字符。
• OutputStream wrap(OutputStream os)：包裝輸出流以編碼字節數據。建議在使用后立即關閉返回的輸出流，在此期間它會將所有可能的剩余字節刷新到底層輸出流。關閉返回的輸出流將關閉基礎輸出流。

Base64.Decoder提出了幾種解碼字節序列的線程安全實例方法。將空引用傳遞給以下方法之一會導致NullPointerException：

• byte[] decode(byte[] src)：將src所有字節解碼為新分配的字節數組，然后返回。當Base64無效時拋出IllegalArgumentException。
• int decode(byte[] src, byte[] dst)：解碼src所有字節到dst（從偏移量0開始）。如果dst不足以保存解碼，或者當Base64無效的時，拋出IllegalArgumentException。否則，返回寫入dst的字節數。
• byte[] decode(String src)：將src所有字節解碼為新分配的字節數組，並返回該字節數組。調用此方法相當於調用decode(src.getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1))。當Base64無效時拋出IllegalArgumentException。
• ByteBuffer decode(ByteBuffer buffer)：將buffer所有字節解碼為新分配的java.nio.ByteBuffer對象。返回后，buffer其position將更新為它的limit; 它的limit不會改變。返回的輸出緩沖區的position將為零，其limit將是生成的解碼字節數。當Base64無效時拋出IllegalArgumentException。在這種情況下，buffer位置不會更新。
• InputStream wrap(InputStream is)：包裝輸入流以解碼字節數據。當輸入Base64無效時，is對象的read()方法拋出java.io.IOException。關閉返回的輸出流將關閉基礎輸出流。

你好，Base64

Java的Base64 API易於使用。考慮一個“Hello，World”式程序，使用Basic編碼器對Base64進行編碼，然后使用Basic解碼器對編碼文本進行Base64解碼。清單1展示了源代碼。

清單1。 HelloBase64.java

import java.util.Base64;

public class HelloBase64
{
   public static void main(String[] args)
   {
      String msg = "Hello, Base64!";
      Base64.Encoder enc = Base64.getEncoder();
      byte[] encbytes = enc.encode(msg.getBytes());
      for (int i = 0; i < encbytes.length; i++)
      {
         System.out.printf("%c", (char) encbytes[i]);
         if (i != 0 && i % 4 == 0)
            System.out.print(' ');
      }
      System.out.println();
      Base64.Decoder dec = Base64.getDecoder();
      byte[] decbytes = dec.decode(encbytes);
      System.out.println(new String(decbytes));
   }
}

編譯清單1如下：

javac HelloBase64.java

運行生成的應用程序如下：

java HelloBase64

您應該觀察以下輸出：

SGVsb G8sI EJhc 2U2N CE=
Hello, Base64!

文件編碼和解碼

Base64對編碼文件更有用。我已經創建了第二個應用程序，它演示了這個有用性以及更多的Base64 API。清單2顯示了應用程序的源代碼。

清單2。 FileEncDec.java

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

import java.util.Base64;

public class FileEncDec
{
   public static void main(String[] args)
   {
      if (args.length != 1)
      {
         System.err.println("usage: java FileEncDec filename");
         return;
      }
      try (FileInputStream fis = new FileInputStream(args[0]))
      {
         Base64.Encoder enc1 = Base64.getEncoder();
         Base64.Encoder enc2 = Base64.getMimeEncoder();
         Base64.Encoder enc3 = Base64.getUrlEncoder();
         OutputStream os1 = enc1.wrap(new FileOutputStream(args[0] + "1.enc"));
         OutputStream os2 = enc2.wrap(new FileOutputStream(args[0] + "2.enc"));
         OutputStream os3 = enc3.wrap(new FileOutputStream(args[0] + "3.enc"));
         int _byte;
         while ((_byte = fis.read()) != -1)
         {
            os1.write(_byte);
            os2.write(_byte);
            os3.write(_byte);
         }
         os1.close();
         os2.close();
         os3.close();
      }
      catch (IOException ioe)
      {
         System.err.printf("I/O error: %s%n", ioe.getMessage());
      }
      try (FileOutputStream fos1 = new FileOutputStream("1" + args[0]);
           FileOutputStream fos2 = new FileOutputStream("2" + args[0]);
           FileOutputStream fos3 = new FileOutputStream("3" + args[0]))
      {
         Base64.Decoder dec1 = Base64.getDecoder();
         Base64.Decoder dec2 = Base64.getMimeDecoder();
         Base64.Decoder dec3 = Base64.getUrlDecoder();
         InputStream is1 = dec1.wrap(new FileInputStream(args[0] + "1.enc"));
         InputStream is2 = dec2.wrap(new FileInputStream(args[0] + "2.enc"));
         InputStream is3 = dec3.wrap(new FileInputStream(args[0] + "3.enc"));
         int _byte;
         while ((_byte = is1.read()) != -1)
            fos1.write(_byte);
         while ((_byte = is2.read()) != -1)
            fos2.write(_byte);
         while ((_byte = is3.read()) != -1)
            fos3.write(_byte);
         is1.close();
         is2.close();
         is3.close();
      }
      catch (IOException ioe)
      {
         System.err.printf("I/O error: %s%n", ioe.getMessage());
      }
   }
}

該FileEncDec應用程序需要一個文件作為其孤立命令行參數的名稱。它繼續打開此文件並讀取其內容。每個讀取字節通過不同的編碼器和包裝的輸出流寫入另一個文件。之后，這些文件通過不同的解碼器和包裝的輸入流打開和讀取。結果存儲在三個單獨的文件中。

編譯清單2如下：

javac FileEncDec.java

運行生成的應用程序如下（假設一個名為JPEG的文件image.jpg- 請參閱帖子的代碼存檔）：

java FileEncDec image.jpg

您應該在當前目錄中觀察image.jpg1.enc，image.jpg2.enc和image.jpg3.enc文件。

image.jpg1.enc將Basic編碼存儲在一個長行上。下面是輸出的前綴，為了便於閱讀，分為兩行（...序列表示內容未顯示）：

/9j/4AAQSkZJRgABAQEASABIAAD/4QAiRXhpZgAATU0AKgAAAAgAAQESAAMAAAABAAEAAAAAAAD/
   4QM6aHR0cDovL25zLmFkb2JlLmNvbS94YXAvMS4wLwA8P3hwYWNrZXQgYmVnaW49Iu+...

image.jpg2.enc 將MIME編碼存儲在多行中：

/9j/4AAQSkZJRgABAQEASABIAAD/4QAiRXhpZgAATU0AKgAAAAgAAQESAAMAAAABAAEAAAAAAAD/
4QM6aHR0cDovL25zLmFkb2JlLmNvbS94YXAvMS4wLwA8P3hwYWNrZXQgYmVnaW49Iu+7vyIgaWQ9
Ilc1TTBNcENlaGlIenJlU3pOVGN6a2M5ZCI/Pg0KPHg6eG1wbWV0YSB4bWxuczp4PSJhZG9iZTpu
czptZXRhLyIgeDp4bXB0az0iQWRvYmUgWE1QIENvcmUgNS4wLWMwNjAgNjEuMTM0Nzc3LCAyMDEw
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dHRwOi8vbnMuYWRvYmUuY29tL3hhcC8xLjAvc1R5cGUvUmVzb3VyY2VSZWYjIiB4bXA6Q3JlYXRv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rW/Vn3t8QvFPjb4x67pOm+NNQ0O60nTLb93YWV9Nplpdg4HkzSAFlCRFkHUgBc8FiPBde8IyWuma
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aRzNLewuypyXyZkO9sIE2rsU4GMjd+HXizVPhemq3Xh61+L1zHrbLpl3LcaVt8uzYoGkBKs8bqD8
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fMVdy449R4V8X/E0PhT4kRtZ2Xju+tlhMUE0OoJHLDKjgMojKbGiMSbxlVGSoyONvK3H7Rnia90O
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image.jpg3.enc將URL和文件名安全編碼存儲在一個長行上。下面是輸出的前綴，分為兩行以便於閱讀：

_9j_4AAQSkZJRgABAQEASABIAAD_4QAiRXhpZgAATU0AKgAAAAgAAQESAAMAAAABAAEAAAAAAAD_
   4QM6aHR0cDovL25zLmFkb2JlLmNvbS94YXAvMS4wLwA8P3hwYWNrZXQgYmVnaW49Iu-...

image.jpg1.enc和image.jpg3.enc之間的區別在於每個/都被替換為 _並且每個+都被替換為 -。

您還應該在當前目錄中觀察1image.jpg，2image.jpg和3image.jpg文件。這些文件中的每一個都包含相同的內容image.jpg。

結論

Base64 API是Java 8引入的各種小“寶石”之一。如果你必須使用Base64，你會發現這個API非常方便。我鼓勵您嘗試一下Base64，從本文未涉及的方法開始。