Base64 编码的原理和注意点理解，一文详解释。

Base64 编码的原理和细节理解

1. Base64 的核心目的

目的：把任意二进制数据（比如图片、音频、文件、中文字符）转换成只包含文本字符的字符串。

为什么要这样做：很多系统（如电子邮件、URL）只能处理文本，如果直接传二进制可能出错或者被误解析。Base64 把二进制“伪装成文本”，安全传输。

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2. Base64 编码的字符表

Base64 有 64 个字符，编码规则如下：

索引	字符
0-25	A-Z
26-51	a-z
52-61	0-9
62	+
63	/

补充：如果末尾有填充，会用 = 表示。

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3. 编码原理

1. 每次取 3 个字节（二进制），一共 3 × 8 = 24 bit。

2. 把这 24 bit 按 6 bit 一组分成 4 份。

   • 为什么 6 bit？因为 2^6 = 64，正好对应 Base64 的 64 个字符。

3. 把每个 6 bit 当成索引去 Base64 字符表中查找对应字符。

4. 组合起来就是编码后的 4 个字符。

例子：3 个字节 e4 b8 ad（中文“中”的 UTF-8）

二进制表示：

e4 = 11100100
b8 = 10111000
ad = 10101101

连起来就是 24 bit：

11100100 10111000 10101101

按 6 bit 分组：

111001 001011 100010 101101

对应十进制：

57 11 34 45

查 Base64 表：

57 → 5
11 → L
34 → i
45 → t

所以编码结果就是 "5Lit"。

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4. 不够 3 字节怎么办？

• 如果末尾不够 3 个字节（比如只有 1 或 2 个字节），Base64 会补 0：

  • 补 1 个字节 → 末尾加 =
  • 补 2 个字节 → 末尾加 ==

• 编码长度总是 4 的倍数。

• 注意：补 0 只是为了编码长度对齐，解码时会自动去掉。

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5. Java 中使用 Base64

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] input = new byte[] { (byte) 0xe4, (byte) 0xb8, (byte) 0xad };
        // 编码
        String b64encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(input);
        System.out.println(b64encoded); // 输出 5Lit

        // 解码
        byte[] output = Base64.getDecoder().decode(b64encoded);
        System.out.println(Arrays.toString(output)); // 输出 [-28, -72, -83]
    }
}

• Base64.getEncoder() → 编码
• Base64.getDecoder() → 解码

注意：Java 的 byte 是有符号的，取值范围 -128~127，超过 127 的二进制会显示为负数。

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6. URL 安全的 Base64

• 标准 Base64 会用 +、/，URL 中容易出问题。
• URL-safe Base64 会把 + → -，/ → _，避免冲突。

byte[] input = new byte[] {0x01, 0x02, 0x7f, 0x00};
String b64url = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(input);
System.out.println(b64url); // 输出 URL-safe 字符串
byte[] decoded = Base64.getUrlDecoder().decode(b64url);

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7. Base64 的优缺点

优点：

• 可把二进制安全传输成文本。
• 使用简单，广泛支持。

缺点：

• 数据膨胀：比原始数据大约 1/3。
• Base64 只是编码，不是加密，不能保证安全。

二进制不也是文本吗？因为很多传输协议（如电子邮件、URL）只能安全处理 ASCII 文本，直接传二进制可能被误解析或截断。

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8. 扩展

• Base64 是 64 个字符。
• Base32、Base58 等编码减少字符数，但编码效率会降低（占用更多空间）。