JavaScript: 详解Base64编码和解码

Base64是最常用的编码之一，比如开发中用于传递参数、现代浏览器中的<img />标签直接通过Base64字符串来渲染图片以及用于邮件中等等。Base64编码在RFC2045中定义，它被定义为：Base64内容传送编码被设计用来把任意序列的8位字节描述为一种不易被人直接识别的形式。

我们知道，任何数据在计算机中都是以二进制的方式存储的。一个字节为8位，一个字符在计算机中存储为一个或多个字节，比如英文字母、数字以及英文标点符号就是用一个 字节来存储的，通常称为ASCII码。而简体中文、繁体中文、日文以及韩文等都是用多字节来存储的，通常称为多字节字符。因为Base64编码是对字符串的编码表示进行处理的，不同编码的字符串的Base64的结果是不同的，所以我们需要了解基本的字符编码知识。

字符编码基础

计算机最开始只支持ASCII码，一个字符用一个字节表示，只用了低7位，最高位为0，因此总共有128个ASCII码，范围为0~127。后来为了支持多种地区的语言，各大组织机构和IT厂商开始发明它们自己的编码方案，以便弥补ASCII编码的不足，如GB2312编码、GBK编码和Big5编码等。但这些编码都只是针对局部地区或少数语言文字，没有办法表达所有的语言文字。而且这些不同的编码之间并没有任何联系，它们之间的转换需要通过查表来实现。

为了提高计算机的信息处理和交换功能，使得世界各国的文字都能在计算机中处理，从1984年起，ISO组织就开始研究制定一个全新的标准：通用多八位(即多字节)编码字符集（Universal Multiple-Octet Coded Character Set），简称UCS。标准的编号为：ISO 10646。这一标准为世界各种主要语言的字符(包括简体及繁体的中文字)及附加符号，编制统一的内码。

统一码（Unicode）是Universal Code的缩写，是由另一个叫“Unicode学术学会”（The Unicode Consortium）的机构制定的字符编码系统。Unicode与ISO 10646国际编码标准从内容上来说是同步一致的。具体可参考：Unicode 。

ANSI

ANSI不代表具体的编码，它是指本地编码。比如在简体版windows上它表示GB2312编码，在繁体版windows上它表示Big5编码，在日文操作系统上它表示JIS编码。所以如果您新建了个文本文件并保存为ANSI编码，那么您现在应该知道这个文件的编码为本地编码。

Unicode

Unicode编码是和字符表一一映射的。比如56DE代表汉字'回'，这种映射关系是固定不变的。通俗的说Unicode编码就是字符表的坐标，通过56DE就能找到汉字'回'。Unicode编码的实现包括UTF8、UTF16、UTF32等等。

Unicode本身定义的就是每个字符的数值，是字符和自然数的映射关系，而UTF-8或者UTF-16甚至UTF-32则定义了如何在字节流中断字，是计算机领域的概念。

通过上图我们知道，UTF-8编码为变长的编码方式，占1~6个字节，可通过Unicode编码值的区间来判断，并且每个组成UTF8字符的字节都是有规律可循的。本文只讨论UTF8和UTF16这两种编码。

UTF16

UTF16编码使用固定的2个字节来存储。因为是多字节存储，所以它的存储方式分为2种：大端序和小端序。UTF16编码是Unicode最直接的实现方式，通常我们在windows上新建文本文件后保存为Unicode编码，其实就是保存为UTF16编码。UTF16编码在windows上采用小端序的方式存储，以下我新建了个文本文件并保存为Unicode编码来测试，文件中只输入了一个汉字'回'，之后我用Editplus打开它，切换到十六进制方式查看，如图所示：

我们看到有4个字节，前2个字节FF FE是文件头，表示这是一个UTF16编码的文件，而DE 56则是'回'的UTF16编码的十六进制。我们经常使用的JavaScript语言，它内部就是采用UTF16编码，并且它的存储方式为大端序，来看一个例子：

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1<script type="text/javascript">

2console.group('Test Unicode: ');

3console.log(('回'.charCodeAt(0)).toString(16).toUpperCase());

4</script>

很明显跟刚才Editplus显示的不一样，顺序是相反的，这是因为字节序不一样。具体可参考：UTF-16 。

UTF8

UTF8是采用变长的编码方式，为1~6个字节，但通常我们只把它看作单字节或三字节的实现，因为其它情况实在少见。UTF8编码通过多个字节组合的方式来显示，这是计算机处理UTF8的机制，它是无字节序之分的，并且每个字节都非常有规律，详见上图，在此不再详述。

UTF16和UTF8的相互转换

UTF16转UTF8

UTF16和UTF8之间的相互转换可以通过上图的转换表来实现，判断Unicode码所在的区间就可以得到这个字符是由几个字节所组成，之后通过移位来实现。我们用汉字'回'来举一个转换的例子。

我们已经知道汉字'回'的Unicode码是0x56DE，它介于U+00000800 – U+0000FFFF之间，所以它是用三个字节来表示的。

所以我们需要将0x56DE这个双字节的值变为三字节的值，注意上图中的x部分，就是对应0x56DE的各位字节，如果您数一下x的个数，会发现刚好是16位。

转换思路

从0x56DE中取出4位放在低位，并和二进制的1110结合，这就是第一个字节。从0x56DE中剩下的字节中取出6位放在低位，并和二进制的10结合，这就是第二个字节。第三个字节依照类似的方式实现。

代码实现

为了让大家更好的理解，以下代码只是实现汉字'回'的转换，代码如下：

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01<script type="text/javascript">

02/**

03* 转换对照表

04* U+00000000 – U+0000007F   0xxxxxxx

05* U+00000080 – U+000007FF   110xxxxx 10xxxxxx

06* U+00000800 – U+0000FFFF   1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

07* U+00010000 – U+001FFFFF   11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

08* U+00200000 – U+03FFFFFF   111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

09* U+04000000 – U+7FFFFFFF   1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

10*/

11/*

12* '回'的Unicode编码为：0x56DE，它介于U+00000800 – U+0000FFFF之间，所以它占用三个字节。

13* U+00000800 – U+0000FFFF   1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

14*/

15var ucode = 0x56DE;

16// 1110xxxx

17var byte1 = 0xE0 | ((ucode >> 12) & 0x0F);

18// 10xxxxxx

19var byte2 = 0x80 | ((ucode >> 6) & 0x3F);

20// 10xxxxxx

21var byte3 = 0x80 | (ucode & 0x3F);

22var utf8 = String.fromCharCode(byte1)

23        + String.fromCharCode(byte2)

24        + String.fromCharCode(byte3);

25  

26console.group('Test UTF16ToUTF8: ');

27console.log(utf8);

28console.groupEnd();

29</script>

输出的结果看起来像乱码，这是因为JavaScript不知道如何显示UTF8的字符。您或许会说输出不正常转换还有什么用，但您应该知道转换的目的还经常用于传输或API的需要。

UTF8转UTF16

这是UTF16转换到UTF8的逆转换，同样需要对照转换表来实现。还是接上一个例子，我们已经得到了汉字'回'的UTF8编码，这是三个字节的，我们只需要按照转换表来转成双字节的，如图所示，我们需要保留下所有的x。

代码如下：

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01<script type="text/javascript">

02/**

03* 转换对照表

04* U+00000000 – U+0000007F   0xxxxxxx

05* U+00000080 – U+000007FF   110xxxxx 10xxxxxx

06* U+00000800 – U+0000FFFF   1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

07* U+00010000 – U+001FFFFF   11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

08* U+00200000 – U+03FFFFFF   111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

09* U+04000000 – U+7FFFFFFF   1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

10*/

11/*

12* '回'的Unicode编码为：0x56DE，它介于U+00000800 – U+0000FFFF之间，所以它占用三个字节。

13* U+00000800 – U+0000FFFF   1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

14*/

15var ucode = 0x56DE;

16// 1110xxxx

17var byte1 = 0xE0 | ((ucode >> 12) & 0x0F);

18// 10xxxxxx

19var byte2 = 0x80 | ((ucode >> 6) & 0x3F);

20// 10xxxxxx

21var byte3 = 0x80 | (ucode & 0x3F);

22var utf8 = String.fromCharCode(byte1)

23        + String.fromCharCode(byte2)

24        + String.fromCharCode(byte3);

25  

26console.group('Test UTF16ToUTF8: ');

27console.log(utf8);

28console.groupEnd();

29/** ------------------------------------------------------------------------------------*/

30// 由三个字节组成，所以分别取出

31var c1 = utf8.charCodeAt(0);

32var c2 = utf8.charCodeAt(1);

33var c3 = utf8.charCodeAt(2);

34/*

35* 需要通过判断特定位的方式来转换，但这里是已知是三个字节，所以忽略判断，而是直接拿到所有的x，组成16位。

36* U+00000800 – U+0000FFFF   1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

37*/

38// 丢弃第一个字节的高四位并和第二个字节的高四位组成一个字节

39var b1 = (c1 << 4) | ((c2 >> 2) & 0x0F);

40// 同理第二个字节和第三个字节组合

41var b2 = ((c2 & 0x03) << 6) | (c3 & 0x3F);

42// 将b1和b2组成16位

43var ucode = ((b1 & 0x00FF) << 8) | b2;

44console.group('Test UTF8ToUTF16: ');

45console.log(ucode.toString(16).toUpperCase(), String.fromCharCode(ucode));

46console.groupEnd();

47</script>

知道了转换规则，就很容易实现了。

Base64编码

Base64编码要求把3个8位字节（3*8=24）转化为4个6位的字节（4*6=24），之后在6位的前面补两个0，形成8位一个字节的形式。由于2的6次方为64，所以每6个位为一个单元，对应某个可打印字符。当原数据不是3的整数倍时，如果最后剩下两个输入数据，在编码结果后加1个“=；如果最后剩下一个输入数据，编码结果后加2个“=；如果没有剩下任何数据，就什么都不要加，这样才可以保证资料还原的正确性。

转码对照表

每6个单元高位补2个零形成的字节位于0~63之间，通过在转码表中查找对应的可打印字符。“=”用于填充。如下图所示为转码表。

具体可参考： Base64 。

Base64解码

解码是编码的逆过程，先看后面补了几个“=”号，最多只可能补2个“=”号。一个“=”相当于补了2个0，所以去掉后面补的0后，再按8位展开，即可还原。

JavaScript实现Base64的编码和解码

之前已经详细讲解了整个过程，本文的例子都是采用UTF8编码的字符串作为Base64编码的基础。因为JavaScript内部是使用Unicode编码，所以需要有个转换过程，原理之前也详细讲解过并给出了示例，以下是代码实现：

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001<script type="text/javascript">

002/**

003* UTF16和UTF8转换对照表

004* U+00000000 – U+0000007F   0xxxxxxx

005* U+00000080 – U+000007FF   110xxxxx 10xxxxxx

006* U+00000800 – U+0000FFFF   1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

007* U+00010000 – U+001FFFFF   11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

008* U+00200000 – U+03FFFFFF   111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

009* U+04000000 – U+7FFFFFFF   1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

010*/

011var Base64 = {

012    // 转码表

013    table : [

014            'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H',

015            'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O' ,'P',

016            'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X',

017            'Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f',

018            'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n',

019            'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v',

020            'w', 'x', 'y', 'z', '0', '1', '2', '3',

021            '4', '5', '6', '7', '8', '9', '+', '/'

022    ],

023    UTF16ToUTF8 : function(str) {

024        var res = [], len = str.length;

025        for (var i = 0; i < len; i++) {

026            var code = str.charCodeAt(i);

027            if (code > 0x0000 && code <= 0x007F) {

028                // 单字节，这里并不考虑0x0000，因为它是空字节

029                // U+00000000 – U+0000007F  0xxxxxxx

030                res.push(str.charAt(i));

031            } else if (code >= 0x0080 && code <= 0x07FF) {

032                // 双字节

033                // U+00000080 – U+000007FF  110xxxxx 10xxxxxx

034                // 110xxxxx

035                var byte1 = 0xC0 | ((code >> 6) & 0x1F);

036                // 10xxxxxx

037                var byte2 = 0x80 | (code & 0x3F);

038                res.push(

039                    String.fromCharCode(byte1), 

040                    String.fromCharCode(byte2)

041                );

042            } else if (code >= 0x0800 && code <= 0xFFFF) {

043                // 三字节

044                // U+00000800 – U+0000FFFF  1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

045                // 1110xxxx

046                var byte1 = 0xE0 | ((code >> 12) & 0x0F);

047                // 10xxxxxx

048                var byte2 = 0x80 | ((code >> 6) & 0x3F);

049                // 10xxxxxx

050                var byte3 = 0x80 | (code & 0x3F);

051                res.push(

052                    String.fromCharCode(byte1), 

053                    String.fromCharCode(byte2), 

054                    String.fromCharCode(byte3)

055                );

056            } else if (code >= 0x00010000 && code <= 0x001FFFFF) {

057                // 四字节

058                // U+00010000 – U+001FFFFF  11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

059            } else if (code >= 0x00200000 && code <= 0x03FFFFFF) {

060                // 五字节

061                // U+00200000 – U+03FFFFFF  111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

062            } else /** if (code >= 0x04000000 && code <= 0x7FFFFFFF)*/ {

063                // 六字节

064                // U+04000000 – U+7FFFFFFF  1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

065            }

066        }

067  

068        return res.join('');

069    },

070    UTF8ToUTF16 : function(str) {

071        var res = [], len = str.length;

072        var i = 0;

073        for (var i = 0; i < len; i++) {

074            var code = str.charCodeAt(i);

075            // 对第一个字节进行判断

076            if (((code >> 7) & 0xFF) == 0x0) {

077                // 单字节

078                // 0xxxxxxx

079                res.push(str.charAt(i));

080            } else if (((code >> 5) & 0xFF) == 0x6) {

081                // 双字节

082                // 110xxxxx 10xxxxxx

083                var code2 = str.charCodeAt(++i);

084                var byte1 = (code & 0x1F) << 6;

085                var byte2 = code2 & 0x3F;

086                var utf16 = byte1 | byte2;

087                res.push(Sting.fromCharCode(utf16));

088            } else if (((code >> 4) & 0xFF) == 0xE) {

089                // 三字节

090                // 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

091                var code2 = str.charCodeAt(++i);

092                var code3 = str.charCodeAt(++i);

093                var byte1 = (code << 4) | ((code2 >> 2) & 0x0F);

094                var byte2 = ((code2 & 0x03) << 6) | (code3 & 0x3F);

095                utf16 = ((byte1 & 0x00FF) << 8) | byte2

096                res.push(String.fromCharCode(utf16));

097            } else if (((code >> 3) & 0xFF) == 0x1E) {

098                // 四字节

099                // 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

100            } else if (((code >> 2) & 0xFF) == 0x3E) {

101                // 五字节

102                // 111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

103            } else /** if (((code >> 1) & 0xFF) == 0x7E)*/ {

104                // 六字节

105                // 1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

106            }

107        }

108  

109        return res.join('');

110    },

111    encode : function(str) {

112        if (!str) {

113            return '';

114        }

115        var utf8    = this.UTF16ToUTF8(str); // 转成UTF8

116        var i = 0; // 遍历索引

117        var len = utf8.length;

118        var res = [];

119        while (i < len) {

120            var c1 = utf8.charCodeAt(i++) & 0xFF;

121            res.push(this.table[c1 >> 2]);

122            // 需要补2个=

123            if (i == len) {

124                res.push(this.table[(c1 & 0x3) << 4]);

125                res.push('==');

126                break;

127            }

128            var c2 = utf8.charCodeAt(i++);

129            // 需要补1个=

130            if (i == len) {

131                res.push(this.table[((c1 & 0x3) << 4) | ((c2 >> 4) & 0x0F)]);

132                res.push(this.table[(c2 & 0x0F) << 2]);

133                res.push('=');

134                break;

135            }

136            var c3 = utf8.charCodeAt(i++);

137            res.push(this.table[((c1 & 0x3) << 4) | ((c2 >> 4) & 0x0F)]);

138            res.push(this.table[((c2 & 0x0F) << 2) | ((c3 & 0xC0) >> 6)]);

139            res.push(this.table[c3 & 0x3F]);

140        }

141  

142        return res.join('');

143    },

144    decode : function(str) {

145        if (!str) {

146            return '';

147        }

148  

149        var len = str.length;

150        var i   = 0;

151        var res = [];

152  

153        while (i < len) {

154            code1 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));

155            code2 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));

156            code3 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));

157            code4 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));

158  

159            c1 = (code1 << 2) | (code2 >> 4);

160            c2 = ((code2 & 0xF) << 4) | (code3 >> 2);

161            c3 = ((code3 & 0x3) << 6) | code4;

162  

163            res.push(String.fromCharCode(c1));

164  

165            if (code3 != 64) {

166                res.push(String.fromCharCode(c2));

167            }

168            if (code4 != 64) {

169                res.push(String.fromCharCode(c3));

170            }

171  

172        }

173  

174        return this.UTF8ToUTF16(res.join(''));

175    }

176};

177  

178console.group('Test Base64: ');

179var b64 = Base64.encode('Hello, oschina！又是一年春来到~');

180console.log(b64);

181console.log(Base64.decode(b64));

182console.groupEnd();

183</script>