Base64编码及编码性能测试

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1.什么是Base64编码

Base64是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。由于2的6次方等于64，所以每6位为一个单元，对应某个可打印字符。在Base64中的可打印字符包括字母A-Z、a-z、数字0-9，这样共有62个字符，此外两个可打印符号在不同的系统中而不同。

具体可参照维基百科：维基百科 Base64

2.为什么要使用Base64编码

在计算机使用过程中，经常会遇到Binary数据，即一个数据块，我们知道其首地址和长度，通过指针即可对其进行快速访问。

但实际环境中，我们又经常需要将这个数据转换为String字符串，而在String字符串中有一个规则，遇到'\0'字符便认为字符串结束。我们不能保证Binary数据中有没有'\0'字符，所以直接将Binary数据赋值给String便可能出现问题。

而解决这一问题的办法就是使用Base64编码，上面说到Base64编码只有64个字符，'A-Z' 'a-z' '0-9' + /。没有'\0'字符，我们只要先办Binary转为Base64编码格式，即可避免出现'\0'字符，从而在赋值给String时变得可靠。

3.编码规则

二机制数据通过8位表示一个字符，Base64通过6位表示一个字符。所以将一个二进制数据转换为Base64编码，其长度要增加 (lengh*8/6)倍。

其规则如下：

1)依次从Binary数据中取出6位，转换为一个Base64字符;

2)如果最后有剩余则以0补够6位。在补位的同时,需要在Base64结尾以‘=’进行标识，一个'='表示补2个0，两个'==',表示补4个0。

需要注意的是第二条规则，由于数据本身是8的倍数，所以每次取6位，最后的余数只能是2或4。这两个则通过在Base64结尾加‘=’和'=='标识。

下面是一个Base64编码索引表和补位的说明：

Base64索引表：

ValueChar ValueChar ValueChar ValueChar0A16Q32g48w1B17R33h49x2C18S34i50y3D19T35j51z4E20U36k5205F21V37l5316G22W38m5427H23X39n5538I24Y40o5649J25Z41p57510K26a42q58611L27b43r59712M28c44s60813N29d45t61914O30e46u62+15P31f47v63/

如果要编码的字节数不能被3整除，最后会多出1个或2个字节，那么可以使用下面的方法进行处理：先使用0字节值在末尾补足，使其能够被3整除，然后再进行base64的编码。在编码后的base64文本后加上一个或两个'='号，代表补足的字节数。也就是说，当最后剩余一个八位字节（一个byte）时，最后一个6位的base64字节块有四位是0值，最后附加上两个等号；如果最后剩余两个八位字节（2个byte）时，最后一个6位的base字节块有两位是0值，最后附加一个等号。 参考下表：

文本（1 Byte）A  二进制位01000001                二进制位（补0）010000010000            Base64编码QQ  文本（2 Byte）BC 二进制位0100001001000011  xxxxxx二进制位（补0）010000100100001100xxxxxxBase64编码QkM 

4.举例说明

1) 0 1 2编码为Base64

0 1 2 二进制表示为 0011 0000        0011  0001     0011  0010

转换为Base64为    001100          000011          000100              110010 

                           即    12                        3                   4                         50

从编码表中查找       M                          D                  E                          y

所以对应的Base64编码为 "MDEy"

2) 0123编码为Base64（需要补位）

0 1  2  3 二进制表示为 0011 0000        0011  0001     0011  0010        0011  0011

转换为Base64为    001100          000011          000100              110010   001100     110000（后面补4个0）

                           即    12                        3                   4                         50              12              48

从编码表中查找       M                          D                  E                          y                 M                w

所以对应的Base64编码为 "MDEyMw==" （由于补了4个0，因此需要加上'=='）

5.C++代码

包括Base64.h 和Base64.cpp 以及一个测试程序 main.cpp

Base64.h

#ifndef BASE64_H_#define BASE64_H_void base64_encode(const char * pData, int len, char * pOut);void base64_decode(const char * pData, int len, char * pOut);int calc_base64_len(int data_len);int calc_data_len(const char * base64, int base64_len);#endif

Base64.cpp

#include "Base64.h"int calc_base64_len(int data_len){int last = data_len*8%6;if(last == 0){return data_len*8/6;}else{int base64_len = data_len*8/6+1;base64_len += (last==2?2:1);return base64_len;}}int calc_data_len(const char * base64, int base64_len){int dec = 0;while(base64[base64_len-1-dec]== '='){dec++;}return ((base64_len-dec)*6)/8;}char _getBase64Char(char c){if(c>=0 && c<26){return 'A'+c;}else if(c>=26 && c<52){return 'a'+c-26;}else if(c>=52 && c<62){return '0'+c-52;}else if(c==62){return '+';}else if(c==63){return '/';}}char _getCharOfBase64(char c){if(c>='A' && c<='Z'){return c-'A';}else if(c>='a' && c<='z'){return c-'a'+26;}else if(c>='0' && c<='9'){return c-'0'+52;}else if(c=='+'){return 62;}else if(c=='/'){return 63;}}void base64_encode(const char * pData, int len, char * pOut){int index = 0;while(len-index>=3){const char * p1 = pData+index;const char * p2 = p1+1;const char * p3 = p2+1;char c1 = ((*p1) & (0b11111100)) >>2;char c2 = ((*p1) & (0b00000011))<<4 | ((*p2) & 0b11110000)>>4;char c3 = ((*p2) & (0b00001111))<<2 | ((*p3) & 0b11000000)>>6;char c4 = (*p3) & (0b00111111);*(pOut++)=_getBase64Char(c1);*(pOut++)=_getBase64Char(c2);*(pOut++)=_getBase64Char(c3);*(pOut++)=_getBase64Char(c4);index+=3;}int last = len-index;if(last==1){const char * p1 = pData + index;char c1 = ((*p1) & (0b11111100)) >>2;char c2 = ((*p1) & (0b00000011))<<4;*(pOut++)=_getBase64Char(c1);*(pOut++)=_getBase64Char(c2);*(pOut++)='=';*(pOut++)='=';}else if(last == 2){const char * p1 = pData+index;const char * p2 = p1+1;char c1 = ((*p1) & (0b11111100)) >>2;char c2 = ((*p1) & (0b00000011))<<4 | ((*p2) & 0b11110000)>>4;char c3 = ((*p2) & (0b00001111))<<2 ;*(pOut++)=_getBase64Char(c1);*(pOut++)=_getBase64Char(c2);*(pOut++)=_getBase64Char(c3);*(pOut++)='=';//*(pOut++)='=';}}void base64_decode(const char * pData, int len, char * pOut){int dec = 0;while(pData[len-1-dec]== '='){dec++;}int real_len = len-dec;int index=0;while(real_len-index>=4){const char * p1 = pData+index;const char * p2 = p1+1;const char * p3 = p2+1;const char * p4 = p3+1;char c1 = _getCharOfBase64(*p1);char c2 = _getCharOfBase64(*p2);char c3 = _getCharOfBase64(*p3);char c4 = _getCharOfBase64(*p4);*(pOut++)=(c1)<<2 | ((c2)&(0b00110000))>>4;*(pOut++)=((c2)&(0b00001111))<<4 | ((c3)&(0b00111100))>>2;*(pOut++)=((c3)&(0b00000011))<<6 | (c4)&(0b00111111);index+=4;}int last = real_len-index;if(last == 2){const char * p1 = pData+index;const char * p2 = p1+1;char c1 = _getCharOfBase64(*p1);char c2 = _getCharOfBase64(*p2);*(pOut++)=(c1)<<2 | ((c2)&(0b00110000))>>4;}else if(last ==3){const char * p1 = pData+index;const char * p2 = p1+1;const char * p3 = p2+1;char c1 = _getCharOfBase64(*p1);char c2 = _getCharOfBase64(*p2);char c3 = _getCharOfBase64(*p3);*(pOut++)=(c1)<<2 | ((c2)&(0b00110000))>>4;*(pOut++)=((c2)&(0b00001111))<<4 | ((c3)&(0b00110000))>>2;}}

main.cpp

#include <stdio.h>#include "time.h"#include "Base64.h"const char * file_in = "c:\\temp\\1.jpg";const char * file_mid = "c:\\temp\\1.base64";const char * file_out="c:\\temp\\11.jpg";int main(int argc, char **argv){char * pData;int len;FILE * fp = fopen(file_in,"rb");if(fp){fseek(fp,0,SEEK_END);len = ftell(fp);fseek(fp,0,SEEK_SET);pData = new char[len];fread(pData,1,len,fp);fclose(fp);}int base64_len = calc_base64_len(len);//int base64_len = len*8/6+1;//base64_len += (len*8%6)/2; //'='char * pOut = new char[base64_len];//encodeBase64(pData,len,pOut);base64_encode(pData,len,pOut);/*clock_t begin,end;begin = clock();int loop=0;while(loop<1000){base64_encode(pData,len,pOut);loop++;}end = clock();printf("time used %d ms.\n",(end-begin));return 0;*/ //pOut[base64_len-1]='\0';fp = fopen(file_mid,"wb");if(fp){fwrite(pOut,1,base64_len, fp);fclose(fp);}if(pData){delete []pData;}if(pOut){delete []pOut;}// readfp = fopen(file_mid,"rb");if(fp){fseek(fp,0,SEEK_END);base64_len = ftell(fp);fseek(fp,0,SEEK_SET);pData = new char[base64_len];fread(pData,1,base64_len,fp);fclose(fp);}//int dec = 0;//while(pData[base64_len-1-dec]== '=')//{//dec++;//}//len = ((base64_len-dec)*6)/8;len = calc_data_len(pData,base64_len);pOut = new char[len];//decodeBase64(pData,base64_len,pOut);base64_decode(pData,base64_len,pOut);fp = fopen(file_out,"wb");if(fp){fwrite(pOut,1,len,fp);fclose(fp);}if(pData){delete []pData;}if(pOut){delete []pOut;}return 0;}

main.cpp读取c:\temp\1.jpg,进行Base64编码，将编码结果写入c:\temp\1.base64, 然后再从c:\temp\1.base64中读取，解码还原，写入 c:\temp\11.jpg.

6.Base64编码性能测试

测试环境：普通PC机   i5 3470 3.2GGhz，内存4G，可用3.76  ，win7  32位

使用上述代码，编译环境为mingw。

只测试了Base64 encode的性能，encode1000次，取平均时间：

100K大小数据                               1.014ms

200K大小数据                               1.981ms

300K                                                2.917ms              

500K                                                4.961ms

1M                                                     10.624ms

总结：Base64编码耗时与数据大小成线形比例，在数据量不大时耗时很小。

7.总结与改进 

1)该测试程序为本人随手而写，还有许多改进空间；以此程序进行测试的结果，仅作参考。

2)由于时间有限，未进行Base64解码的测试。

在这篇文章中进行了改进，encode效率提高8倍左右。

http://blog.csdn.net/jmppok/article/details/17137839