base64编解码原理与C代码实现

1、base64编码原理分析：

（1）、背景与应用：
可参考博客：Base64编码原理与应用
所谓base64就是基于ASCII码的64个可见字符子集的一种编码方式。

（2）、编码原理与核心分析：
上面提到的子集如下所示：

A~Z、a~z、0~9、+、/共64个字符。

base64编码方式要点：

①分组：对需要编码的数据流（字节流）进行分组，三个字节为一组，若是最后一组不足3个字节，则对该分组后面补充0补足3个字节。然后将3byte（3 * 8=24bit）等分为4部分，每部分6bit（4 * 6=24bit）。将每一部分的6bit作为一个字节的低6位，高2位均填充0。即将3个字节变为4个字节。
②替换：由于6bit可表示最大值为63（111111），将6bit的信息作为Base64编码表的索引，索引到的字符即为该6bit信息编码得到的编码结果。因此3byte编码会得到4个字符。
③结尾处理：对于数据流中分组产生的6bit，如果为全0，即索引到的字符为‘A’，但是对于结尾不满3byte而补充的0，分组要进行特殊处理，用’=’来替换（由于’=’只在结尾可能存在，因此不算入编码表中）。

举例分析：
0110 0001 0100 0000，该二进制流（字节流）共2个字节，其ASCII码的字符分别为a、@。其base64编码结果为“YUA=”。

又如：0110 0001 0100 0000 0110 0001 0110 0001的编码结果为“YUBhYQ==”。

（3）、解码：
对于解码，其实就是编码的逆过程：将得到的base64编码信息分为4字节一组，由4个字符值反推出其索引，然后将四个索引的低6bit共24bit拼接成完整的三个字节，得到24bit数据流（可能还需要一步：将3个字节的ASCII字符再算出来）。

需要注意：在编程时，由于逆向解码，对于已知字符求其索引，需要进行整个表的遍历，若需要解密的数据较大，则其效率是相当低的。因此我们可以做一个逆向索引的表，该表以64个字符的ASCII作为索引index，而以正向索引表的索引作为逆向索引表的值。如下为正向编码索引表（64个有效值）：

static const char base64[64] = {    'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H',    'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O', 'P',    'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X',    'Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f',    'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n',    'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v',    'w', 'x', 'y', 'z', '0', '1', '2', '3',    '4', '5', '6', '7', '8', '9', '+', '/'};

而逆向解码索引表如下所示（65个有效的值）：

static const char base64_back[128] = {    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,     -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 62, -1, -1, -1, 63,    52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, -1, -1, -1,  0, -1, -1,    -1,  0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12, 13, 14,     15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, -1, -1, -1, -1, -1,     -1, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40,     41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, -1, -1, -1, -1, -1,};

2、代码编写与程序测试：

以下程序采用命令行输入的方式编解码进行测试：

（1）输入格式处理程序文件：

//fileName:formatDeal.cpp#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include "base64.h"int main(int argc, char **argv){    if(argc != 3){        printf("number of parameter error:\n");         printf("\t./base64 -d(e) text\n");        exit(EXIT_FAILURE);    }    int argv_e = strcmp(argv[1], "-e");    int argv_d = strcmp(argv[1], "-d");    if( !argv_e ){//text encrypt        base64_encrypt_text(argv[2], strlen(argv[2]));      }    else if( !argv_d ){//text decrypt        base64_decrypt_text(argv[2], strlen(argv[2]));      }    else{           printf("type of parameter error:\n");           printf("\t./base64 -d(e) text\n");        exit(EXIT_FAILURE);    }    return 0;}

（2）base64编码程序文件：

/***************************************************************** *  FileName:base64.cpp *  Time:  2017-12-11 20:54:21 *  Author: KangRuojin *  Mail: [e-mail] *  Version: v1.1 *  *  c - ciphertext *  p - plaintext******************************************************************/#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include "base64.h"static const char base64[64] = {    'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H',    'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O', 'P',    'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X',    'Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f',    'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n',    'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v',    'w', 'x', 'y', 'z', '0', '1', '2', '3',    '4', '5', '6', '7', '8', '9', '+', '/'};/* *  以base64的编码值作为索引进行原index的索引.即逆转换表 *  首先,A~Z、a~z、0~9、+、/共64个符号 *  这64个符号（ASCII）作为base64_back[]的索引,其在base64[]中的索引作为base64_back[]的索引值 *  其次,由于编码中'=(ASCII为61)'是由补的0转换成的，所以在逆转换表中index=61的位置,值为0 *  其他index值均为-1*/static const char base64_back[128] = {    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,     -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 62, -1, -1, -1, 63,    52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, -1, -1, -1,  0, -1, -1,    -1,  0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12, 13, 14,     15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, -1, -1, -1, -1, -1,     -1, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40,     41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, -1, -1, -1, -1, -1,};void base64_encrypt_text(const char * pbuf,int plen){    int clen = (plen % 3) ? (plen/3 + 1) : (plen/3);    char * buf = (char *)malloc(clen*3);    char * cbuf = (char *)malloc(clen * 4);    if(NULL == cbuf || NULL == buf){        exit(EXIT_FAILURE);    }    memset(cbuf, 0, clen*4);    memset(buf, 0, clen*3);    memcpy(buf, pbuf, plen);    //编码转换    for(int i = 0; i < clen; i++){        base64_encrypt(&buf[i*3], &cbuf[i*4]);    }    //由于对于0进行了统一的base6_encrypt()，所以需要对末尾的'A'进行修正为'='    if(plen % 3 == 2){//只补一个字节，对应一个'='        cbuf[clen*4 - 1] = '=';    }    else if(plen % 3 == 1){//补两个字节则对应两个'='        cbuf[clen*4 - 1] = cbuf[clen*4 - 2] = '=';    }    show_base64(cbuf, clen*4);    free(buf);    free(cbuf);}void base64_decrypt_text(const char * cbuf,int clen){    int plen = clen/4;    char * pbuf = (char *)malloc(plen*3);    if(NULL == pbuf){        exit(EXIT_FAILURE);    }    memset(pbuf, 0, plen*3);    for(int i = 0; i < plen; i++){        base64_decrypt(&cbuf[i*4], &pbuf[i*3]);    }    show_base64(pbuf, plen*3);    free(pbuf);}void base64_encrypt(const char * pbuf, char * cbuf){    int temp = (pbuf[0] << 16) | (pbuf[1] << 8) | (pbuf[2] << 0);    for(int i = 0; i<4; i++){        int index = (temp >> (18-i*6)) & 0x3F;        cbuf[i] = base64[index];    }}void base64_decrypt(const char * cbuf, char * pbuf){    int temp = 0;    for(int i = 0; i<4; i++){//反向索引，根据编码求得原index并进行移位异或        temp |= base64_back[cbuf[i]] << (18-6*i);//temp的高1byte未使用    }    for(int i = 0; i<3; i++){//移位异或得到的temp的低三byte分别为原有三个byte        pbuf[i] = (temp >> (16-i*8)) & 0XFF;    }}void show_base64(const char * buf, int len){    for(int i=0; i<len; i++){        printf("%c",buf[i]);    }    printf("\n");}

测试结果（可能存在脚本识别问题，所以text参数需要加单引号）：

此外，base64还用于图片编码，图片编码属于文件处理，需要在formatDeal.cpp和base64.cpp中再添加关于文件处理的部分即可。