深入淺出JavaScript中base64編碼原理
前言
平靜之下,驀然回首,base64 卻在燈火闌珊處。
今天翻開舊項目發現挺多圖片相關的插件都是用 base64 來顯示圖片的。談到 base64,腦海遐想翩翩,思緒回蕩之下 base64 瑕瑜互見。本文旨在記錄工作中遇見的問題並加以總結,如有不妥請指正~
base64 由來
base64 是網絡傳輸 8Bit 字節代碼的編碼方式之一,是一種基於 64 個可打印字符來表示二進制數據的方法。在做支付系統時,報文交互都需要使用 base64 對明文進行轉碼,然後再進行簽名或加密,之後再進行(或再次 base64 轉碼)傳輸。那麼,base64 到底起到什麼作用呢?
在參數傳輸的過程中經常遇到的一種情況:使用全英文的字符串沒問題,但一旦涉及到中文就會出現亂碼的情況。與此類似,網絡上傳輸的字符並不全是可打印的字符,比如二進制文件、圖片等。base64 的出現就是為瞭解決此問題,它是基於 64 個可打印的字符來表示二進制的數據的一種方法。
電子郵件剛問世的時候,隻能傳輸英文,但後來隨著用戶的增加,中文、日韓俄文等文字的用戶也有需求,但這些字符並不能被服務器或網關有效處理,因此 base64 就登場瞭。隨後,base64 在 URL、Cookie、網頁傳輸少量二進制文件中也有相應的使用。
base64 的編碼原理
基於a-z
、A-Z
、0-9
、+/
這 64 個字符來標識二進制數據,另外=
符號用於當字節缺位時補用。
base64 編碼對照表
base64 編碼對照表
索引 | 對應字符 | 索引 | 對應字符 | 索引 | 對應字符 | 索引 | 對應字符 |
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 | ||
15 | P | 32 | g | 49 | x | ||
16 | Q | 33 | h | 50 | y |
base64 的編碼轉換規則
base64 要求把每三個 8Bit
的字節轉換
為四個 6Bit
的字節(3*8 = 4*6 = 24
),然後把 6Bit再添兩位高位 0,組成四個 8Bit 的字節(4*8=32
)。
為什麼使用 3 個字節一組呢?因為 6 和 8 的最小公倍數為 24,三個字節正好 24 個二進制位,每 6 個 bit 位一組,恰好能夠分為 4 組。
同時用於分組後每組添加兩個高位 0,轉換後的字符串理論上將要比原來的字符長 1/3(24/32=1/3)
。
步驟分解:
- 將待轉換的字符串每三個字符分為一組,每個字符字節占 8bit,那麼共有 24 個二進制位。
- 將 24 個二進制位每 6 個字節為一組,共分為 4 組。
- 在每組 6 字節前面添加兩個 0,每組由 6 字節變為 8 字節二進制位,組成總共 32 個二進制位,即四個字節。
- 根據 base64 編碼對照表獲得對應的值。
舉個栗子
1.以標準 3 個字符LJY
為例。
LJY
對應的 ASCII 碼值分別為 76、74、89,對應的二進制值是 01001100、01001010、01011001。由此組成一個 24 位的二進制位字符串。- 將 24 位的二進制位字符串,按照每 6 位二進制位一組分成 4 組。
- 對 4 組 每組 6 位二進制位字符串前面補兩個 0,每組擴展為 8 位二進制位,4 組共擴展成 32 個二進制位,此時 4 組二進制位分別為:00010011、00000100、00101001、00011001。其對應的 base64 編碼索引為:19、4、41、25。
2.用 base64 編碼索引值在 base64 編碼表中進行查找,分別對應:T、E、p、Z。
因此LJY
base64 編碼之後就變為:TEpZ。
| 文本 | L | J | Y |
| ASCII | 76 | 74 | 89 |
| 二進制位 | 01001100 | 01001010 | 01011001 |
| 分組二進制 | 010011 | 000100 | 101001 | 011001 |
| 分組二進制補2個0 | 00010011 | 00000100 | 00101001 | 00011001 |
| 分組索引 | 19 | 4 | 41 | 25 |
| base64編碼 | T | E | p | Z |
主要展示:
轉換前二進制位: 01001100 01001010 01011001
轉換後二進制位: 00010011 00000100 00101001 00011001
字符位數不足情況
上述栗子是面向剛好三個字符為一組的情況。當然不是所有時候都這麼巧字符位數足夠,除此以外有位數不足的情況。那麼,面對字符位數不足的情況下該如何處理呢?
base64 給出的方案是,當每組字符不足三位時,不足位數位置需要使用=
符號補上。
位數不足情況處理情景:
- 位數缺一個字節:一個字節共 8 個二進制位,依舊按照規則進行分組。此時共 8 個二進制位,每 6 個一組,則第二組缺少 4 位,用 0 補齊,得到兩個 base64 編碼,而後面兩組沒有對應數據,都用
=
補上。 - 位數缺兩個字節:兩個字節共 16 個二進制位,依舊按照規則進行分組。此時總共 16 個二進制位,每 6 個一組,則第三組缺少 2 位,用 0 補齊,得到三個 base64 編碼,第四組完全沒有數據則用
=
補上。
位數不足圖解如下:
<!-- 缺2位字符,字符串以A為例轉換base64後位QQ== --> | 文本(1Byte) | A | | | | 二進制位 | 01000001 | | | | 分組二進制 | 010000 | 010000 | | | | 分組二進制補0 | 00010000 | 00010000 | | | | 分組索引 | 16 | 16 | | | | base64編碼 | Q | Q | = | = | <!-- 缺1位字符,字符串以AB為例轉換base64後位QUI= --> | 文本(1Byte) | A | B | | | 二進制位 | 01000001 | 01000010 | | | 分組二進制 | 010000 | 010100 | 001000 | | | 分組二進制補0 | 00010000 | 00010100 | 00001000 | | | 分組索引 | 16 | 20 | 8 | | | base64編碼 | Q | U | I | = |
列舉瞭一個字符到三個字符轉換為 base64 ,可以發現將 base64 就是按照 base64 編碼對照表來將二進制轉換為字符串,使得數據不能直接明文展示出來,但也算不上是加密,而這巧好可用在傳輸、存儲、表示二進制領域的情景。
- 另外值得註意的是,不用語言如中文有多種編碼(比如:utf-8、gb2312、gbk 等),不同編碼對應 base64 編碼結果都不一樣。
- 其次在推演過程中可發現 base64 即用 6 位字節(2 的 6 次冪就是 64)表示字符同理,Base32 就是用 5 位字節,Base16 就是用 4 位字節。大傢可以按照上面的步驟進行演化測試。
base64 優缺點
知道 base64 是什麼後,也該到為什麼出現瞭。為什麼要是使用 base64 呢,這要從其優缺點入手來選擇適合場景瞭。
優勢:
- base64 適合不同平臺、不同語言的傳輸;
- 頁面中內嵌使用 base64 格式的小圖片,可減少瞭服務器訪問次數;
- 二進制位轉換 base64 算法簡單,對性能影響不大;
缺點
1.二進制文件轉換為 base64 後,體積大概增加 1/3;
- 在基於 Android6.0 及以下默認瀏覽器實測場景中發現,某些機型如中興上傳 base64 圖片會因為字符大小過大導致上傳奔潰的情況。
- 字符長度過大的 base64 不適應使用在 URL 情景,因為 IOS 端瀏覽器會限制 URL 長度,當長度超過時會自動切除多餘部分,導致數據丟失。
- base64 字符過大會導致頁面加載速度變慢,因此建議 10kb 以下的圖片使用。
2.base64 無法緩存,要緩存隻能緩存包含 base64 的文件,比如 js 或者 css;
3.面對大文件時,會消耗一定的 CPU 進行編解碼
JavaScript 的 base64 轉碼方法
Web API 二進制與 base64 轉換
atob(encodedData) : 解碼一個 base64 編碼的字符串。
enCodedData,是一個通過 btoa() 方法編碼的字符串, 為二進制字符串包含 base64 編碼的數據。並返回包含來自 encodedData 的解碼數據的 ASCII 字符串。
btoa(stringToEncode) : 創建一個 bas64 編碼的字符串。
stringToEncode 為要編碼的二進制字符串。並返回包含 stringToEncode 的 base64 表示形式的 ASCII 字符串。
另外在 JavaScript 中,字符串使用 UTF-16 字符編碼表示:在這種編碼中,字符串表示為 16 位(2 字節)單元的序列。每個 ASCII 字符都可以放入其中一個單元的第一個字節,但許多其他字符不能。
base64 在設計上需要二進制數據作為其輸入。就 JavaScript 字符串而言,這意味著每個字符隻占用一個字節的字符串。因此,如果將一個字符串傳遞到 btoa()中,其中包含占用多個字節的字符,則會出現錯誤,因為這不被視為二進制數據,因此超 16 位字符在使用 btoa()時需要先對字符轉碼為二進制位。
// 簡單數據 const encodedData = btoa('Hello, world'); // encode a string const decodedData = atob(encodedData); // decode the string /* 復雜數據 */ // convert a Unicode string to a string in which // each 16-bit unit occupies only one byte function toBinary(string) { const codeUnits = new Uint16Array(string.length); for (let i = 0; i < codeUnits.length; i++) { codeUnits[i] = string.charCodeAt(i); } const charCodes = new Uint8Array(codeUnits.buffer); let result = ''; for (let i = 0; i < charCodes.byteLength; i++) { result += String.fromCharCode(charCodes[i]); } return result; } function fromBinary(binary) { const bytes = new Uint8Array(binary.length); for (let i = 0; i < bytes.length; i++) { bytes[i] = binary.charCodeAt(i); } const charCodes = new Uint16Array(bytes.buffer); let result = ''; for (let i = 0; i < charCodes.length; i++) { result += String.fromCharCode(charCodes[i]); } return result; } // a string that contains characters occupying > 1 byte const myString = '☸☹☺☻☼☾☿'; const converted = toBinary(myString); const encoded = btoa(converted); console.log(encoded); // OCY5JjomOyY8Jj4mPyY= const decoded = atob(encoded); const original = fromBinary(decoded); console.log(original); // ☸☹☺☻☼☾☿
兼容性:atob() 方法不支持 IE9 及更早的 IE 版本。
base64 轉二進制
// base64編碼表 const map = { 0: 52, 1: 53, 2: 54, 3: 55, 4: 56, 5: 57, 6: 58, 7: 59, 8: 60, 9: 61, A: 0, B: 1, C: 2, D: 3, E: 4, F: 5, G: 6, H: 7, I: 8, J: 9, K: 10, L: 11, M: 12, N: 13, O: 14, P: 15, Q: 16, R: 17, S: 18, T: 19, U: 20, V: 21, W: 22, X: 23, Y: 24, Z: 25, a: 26, b: 27, c: 28, d: 29, e: 30, f: 31, g: 32, h: 33, i: 34, j: 35, k: 36, l: 37, m: 38, n: 39, o: 40, p: 41, q: 42, r: 43, s: 44, t: 45, u: 46, v: 47, w: 48, x: 49, y: 50, z: 51, '+': 62, '/': 63, }; function base64to2(base64) { let len = base64.length * 0.75; // 轉換為int8array所需長度 base64 = base64.replace(/=*$/, ''); // 去掉=號(占位的) const int8 = new Int8Array(len); //設置int8array視圖 let arr1, arr2, arr3, arr4, p = 0; for (let i = 0; i < base64.length; i += 4) { arr1 = map[base64[i]]; // 每次循環 都將base644個字節轉換為3個int8array直接 arr2 = map[base64[i + 1]]; arr3 = map[base64[i + 2]]; arr4 = map[base64[i + 3]]; // 假設數據arr 數據 00101011 00101111 00110011 00110001 int8[p++] = (arr1 << 2) | (arr2 >> 4); // 上面的操作 arr1向左邊移動2位 變為10101100 // arr2 向右移動4位:00000010 // | 為'與'操作: 10101110 int8[p++] = (arr2 << 4) | (arr3 >> 2); int8[p++] = (arr3 << 6) | arr4; } return int8; }
base64 轉成 Blob
// base64圖片轉blob function base64toBlob(base64) { var arr = base64.split(','), mime = arr[0].match(/:(.*?);/)[1] || 'image/png', bstr = atob(arr[1]), // 將base64轉為Unicode規則編碼 n = bstr.length, u8arr = new Uint8Array(n); while (n--) { u8arr[n] = bstr.charCodeAt(n); // 轉換編碼後才可以使用charCodeAt 找到Unicode編碼 } return new Blob([u8arr], { type: mime }); } /* 優化版 */ function base64ToBlob(base64) { var arr = base64.split(','); var mime = arr[0].match(/:(.*?);/)[1] || 'image/png'; // 去掉url的頭,並轉化為byte var bytes = window.atob(arr[1]); // 處理異常,將ascii碼小於0的轉換為大於0 var ab = new ArrayBuffer(bytes.length); // 生成視圖(直接針對內存):8位無符號整數,長度1個字節 var u8arr = new Uint8Array(ab); for (var i = 0; i < bytes.length; i++) { u8arr[i] = bytes.charCodeAt(i); } return new Blob([u8arr], { type: mime }); }
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