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Java實現(xiàn)BASE64加解密算法的示例代碼

更新時間：2025年07月17日 09:48:17 作者：Katie。

Base64?編碼便是一種常用的方法,它將任意二進制數(shù)據(jù)編碼為可打印的?ASCII?字符,保證在文本環(huán)境下不被破壞,本項目將使用?Java?語言,從頭實現(xiàn)基于查表法的?Base64?編碼與解碼工具,需要的朋友可以參考下

1. 項目背景詳細介紹

在網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)存儲與傳輸以及各種協(xié)議交互中，二進制數(shù)據(jù)常常需要以文本形式表現(xiàn)，以便在 HTTP、SMTP、JSON 等純文本協(xié)議中安全傳遞。Base64 編碼便是一種常用的方法，它將任意二進制數(shù)據(jù)編碼為可打印的 ASCII 字符，保證在文本環(huán)境下不被破壞。

Java 標準庫中已有 java.util.Base64 實現(xiàn)，但手寫一套基于查表法（Table-Driven）的 Base64 編解碼算法，可以幫助我們：

深入理解 Base64 的編碼原理與字符映射規(guī)則；
掌握位運算與字節(jié)處理技巧；
在不依賴庫的環(huán)境中靈活集成到自定義框架或受限平臺（如 Android 早期版本）中。

本項目將使用 Java 語言，從頭實現(xiàn)基于查表法的 Base64 編碼與解碼工具，支持標準 Base64（含 +、/、= 填充）及 URL 安全變體（-、_、無填充）。

2. 項目需求詳細介紹

功能需求

Base64 編碼

輸入任意 byte[]，返回標準 Base64 字符串；
支持 URL 安全模式：+→-、/→_、省略 =；

Base64 解碼

輸入 Base64 編碼字符串，恢復原始 byte[]；
自動識別并兼容標準與 URL 安全字符；
處理缺失或多余的填充字符，保證健壯解析；

易用 API

提供靜態(tài)方法：

public static String encode(byte[] data, boolean urlSafe);
public static byte[] decode(String b64);

支持對 String 與 byte[] 互轉(zhuǎn)的簡便調(diào)用；

邊界與異常處理

對 null 或空輸入返回空結果；
對非法字符或格式拋出自定義 Base64Exception，并帶有錯誤位置信息。

非功能需求

性能

對大數(shù)據(jù)（如圖片、視頻片段）編碼/解碼時，避免頻繁擴容，整體時空效率與 java.util.Base64 相當；

可擴展性

查表數(shù)組與位移邏輯解耦，后續(xù)可支持自定義字符集；

易測試

附帶 JUnit 單元測試，覆蓋標準用例、URL 變體、邊界、非法輸入等；

多線程安全

算法方法無共享可變狀態(tài)，可并發(fā)調(diào)用。

3. 相關技術詳細介紹

Base64 編碼原理

將每 3 個字節(jié)（24 位）劃分為 4 個 6 位單元；
每個 6 位取值映射到字符表 A–Z, a–z, 0–9, +, /；
當輸入長度非 3 的倍數(shù)時，使用 = 填充保證輸出長度為 4 的倍數(shù)；

查表法實現(xiàn)

預先構造長度為 64 的字符表 char[] ENC = {...}；
解碼時構造大小為 128 或 256 的反向查表 byte[] DEC，映射字符到 6 位值；

位運算與字節(jié)處理

使用位移與掩碼操作：

int b0 = data[i]   & 0xFF;
int b1 = data[i+1] & 0xFF;
int b2 = data[i+2] & 0xFF;
// 組合為 24 位：(b0<<16)|(b1<<8)|b2
// 依次提取 6 位輸出

字符編碼

將 byte[] 與 Java String 互轉(zhuǎn)需指定字符集（如 UTF-8）；

異常設計

自定義運行時 Base64Exception，區(qū)分填充錯誤、非法字符、長度不匹配。

4. 實現(xiàn)思路詳細介紹

4.1 數(shù)據(jù)結構設計

編碼表

private static final char[] ENC = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/".toCharArray();
private static final char[] ENC_URL = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789-_".toCharArray();

private static final byte[] DEC = new byte[128]; // 初始化為 -1
// 遍歷 ENC，DEC[ENC[i]] = (byte)i
// 同時為 URL 變體字符賦值

4.2 編碼流程

初始化：選擇 ENC 或 ENC_URL；

主循環(huán)：每次處理 3 字節(jié)：

組合 24 位臨時值；
右移提取 4 個 6 位索引，訪查表寫入輸出；

尾部處理：剩余 1 或 2 字節(jié)時，補零組合并輸出相應字符，最后添加 =（標準模式）；

結果拼接：使用 StringBuilder 或預估長度的 char[] 直接寫入，避免擴容。

4.3 解碼流程

預處理：去掉所有非 Base64 字符（如換行、空格）；

填充檢測：記錄末尾 = 數(shù)量，驗證長度對 4 的整除；

主循環(huán)：每次讀 4 個字符：

通過 DEC 查出 4 個 6 位值，組合成 24 位；
拆分為最多 3 字節(jié)，依據(jù)填充數(shù)量控制輸出長度；

結果返回：收集到 byte[]，或使用 ByteArrayOutputStream 緩沖。

4.4 API 設計

public class Base64Util {
    public static String encode(byte[] data);
    public static String encodeUrlSafe(byte[] data);
    public static byte[] decode(String b64) throws Base64Exception;
}

encode：標準模式；
encodeUrlSafe：URL 安全模式；
decode：自動識別兩種模式。

4.5 擴展與優(yōu)化

自定義字符集：支持用戶傳入自定義 char[]；
無填充模式：為極端場景去掉 =；
流式 API：對大文件使用輸入流/輸出流分塊處理；
SIMD 優(yōu)化：在性能敏感場景，使用 Java 9+ 的 sun.misc.Unsafe 或 JNI 調(diào)用底層指令加速。

// ==================== 文件：Base64Exception.java ====================
package com.example.base64;
 
/**
 * Base64 編解碼異常
 */
public class Base64Exception extends RuntimeException {
    public Base64Exception(String message) {
        super(message);
    }
    public Base64Exception(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }
}
 
// ==================== 文件：Base64Util.java ====================
package com.example.base64;
 
import java.util.Arrays;
 
/**
 * 基于查表法的 Base64 編解碼工具，支持標準與 URL 安全模式
 */
public class Base64Util {
    // 標準 Base64 編碼表
    private static final char[] ENC = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/".toCharArray();
    // URL 安全 Base64 編碼表
    private static final char[] ENC_URL = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789-_".toCharArray();
    // 解碼查表，-1 表示非法字符
    private static final byte[] DEC = new byte[128];
    static {
        Arrays.fill(DEC, (byte)-1);
        for (int i = 0; i < ENC.length; i++) {
            DEC[ENC[i]] = (byte)i;
        }
        for (int i = 0; i < ENC_URL.length; i++) {
            DEC[ENC_URL[i]] = (byte)i;
        }
        DEC['='] = 0;
    }
 
    /**
     * 標準 Base64 編碼
     */
    public static String encode(byte[] data) {
        return encode(data, false);
    }
 
    /**
     * URL 安全 Base64 編碼（無填充）
     */
    public static String encodeUrlSafe(byte[] data) {
        return encode(data, true);
    }
 
    private static String encode(byte[] data, boolean urlSafe) {
        if (data == null || data.length == 0) return "";
        char[] table = urlSafe ? ENC_URL : ENC;
        int len = data.length;
        int fullGroups = len / 3;
        int remainder = len - 3 * fullGroups;
        int outLen = 4 * ((len + 2) / 3);
        StringBuilder sb = new StringBuilder(outLen);
        int idx = 0;
        // 主循環(huán)，每次處理 3 字節(jié)
        for (int i = 0; i < fullGroups; i++) {
            int b0 = data[idx++] & 0xFF;
            int b1 = data[idx++] & 0xFF;
            int b2 = data[idx++] & 0xFF;
            sb.append(table[b0 >>> 2]);
            sb.append(table[((b0 & 0x3) << 4) | (b1 >>> 4)]);
            sb.append(table[((b1 & 0xF) << 2) | (b2 >>> 6)]);
            sb.append(table[b2 & 0x3F]);
        }
        // 處理尾部
        if (remainder == 1) {
            int b0 = data[idx++] & 0xFF;
            sb.append(table[b0 >>> 2]);
            sb.append(table[(b0 & 0x3) << 4]);
            if (!urlSafe) {
                sb.append("==");
            }
        } else if (remainder == 2) {
            int b0 = data[idx++] & 0xFF;
            int b1 = data[idx++] & 0xFF;
            sb.append(table[b0 >>> 2]);
            sb.append(table[((b0 & 0x3) << 4) | (b1 >>> 4)]);
            sb.append(table[(b1 & 0xF) << 2]);
            if (!urlSafe) {
                sb.append('=');
            }
        }
        return sb.toString();
    }
 
    /**
     * 自動識別標準或 URL 安全 Base64，解碼為原始字節(jié)
     */
    public static byte[] decode(String b64) {
        if (b64 == null || b64.isEmpty()) return new byte[0];
        // 去除空白
        String s = b64.trim().replaceAll("\\s", "");
        int len = s.length();
        if ((len & 3) != 0) {
            throw new Base64Exception("Base64 長度非 4 的倍數(shù): " + len);
        }
        // 計算填充數(shù)量
        int pad = 0;
        if (len > 0 && s.charAt(len - 1) == '=') pad++;
        if (len > 1 && s.charAt(len - 2) == '=') pad++;
        int outLen = (len * 3) / 4 - pad;
        byte[] out = new byte[outLen];
        int outIdx = 0;
        int inIdx = 0;
        // 主循環(huán)，每次處理 4 字符
        for (int i = 0; i < len; i += 4) {
            int c0 = charToValue(s.charAt(i));
            int c1 = charToValue(s.charAt(i+1));
            int c2 = charToValue(s.charAt(i+2));
            int c3 = charToValue(s.charAt(i+3));
            int triple = (c0 << 18) | (c1 << 12) | (c2 << 6) | c3;
            if (outIdx < outLen) out[outIdx++] = (byte)(triple >> 16);
            if (outIdx < outLen) out[outIdx++] = (byte)(triple >> 8);
            if (outIdx < outLen) out[outIdx++] = (byte)triple;
        }
        return out;
    }
 
    private static int charToValue(char c) {
        if (c >= DEC.length || DEC[c] < 0) {
            throw new Base64Exception("非法 Base64 字符: " + c);
        }
        return DEC[c];
    }
}
 
// ==================== 文件：TestBase64Util.java ====================
package com.example.base64;
 
import org.junit.jupiter.api.Assertions;
import org.junit.jupiter.api.Test;
 
/**
 * JUnit 單元測試：驗證 Base64 編解碼功能
 */
public class TestBase64Util {
 
    @Test
    public void testStandardEncodeDecode() {
        String text = "Hello, 世界!";
        byte[] raw = text.getBytes(java.nio.charset.StandardCharsets.UTF_8);
        String enc = Base64Util.encode(raw);
        byte[] dec = Base64Util.decode(enc);
        Assertions.assertEquals(text, new String(dec, java.nio.charset.StandardCharsets.UTF_8));
    }
 
    @Test
    public void testUrlSafe() {
        String text = "abc+/";
        byte[] raw = text.getBytes(java.nio.charset.StandardCharsets.UTF_8);
        String encUrl = Base64Util.encodeUrlSafe(raw);
        Assertions.assertFalse(encUrl.contains("+") || encUrl.contains("/"));
        byte[] dec = Base64Util.decode(encUrl);
        Assertions.assertEquals(text, new String(dec, java.nio.charset.StandardCharsets.UTF_8));
    }
 
    @Test
    public void testEmpty() {
        Assertions.assertArrayEquals(new byte[0], Base64Util.decode(""));
        Assertions.assertEquals("", Base64Util.encode(new byte[0]));
    }
 
    @Test
    public void testInvalid() {
        Assertions.assertThrows(Base64Exception.class, () -> Base64Util.decode("abcd*"));
        Assertions.assertThrows(Base64Exception.class, () -> Base64Util.decode("abc"));
    }
}

5. 代碼詳細解讀

Base64Exception.java

自定義運行時異常，用于標識非法格式或字符錯誤。

Base64Util.java

查表初始化：
- ENC/ENC_URL 分別定義標準與 URL 安全字符表；
- DEC 長度 128，預設為 -1，再給有效字符賦值；
編碼邏輯：
- 按 3 字節(jié)一組組合 24 位，依次右移提取 6 位索引訪問 ENC；
- 對尾部剩余 1 或 2 字節(jié)做特殊處理并添加 =（僅標準模式）；
- 使用 StringBuilder 預估長度，避免動態(tài)擴容。
解碼邏輯：
- 去掉空白和換行；
- 驗證長度為 4 的倍數(shù)并統(tǒng)計填充數(shù)；
- 每 4 字符通過 DEC 查表得 4×6=24 位，拆分出至多 3 字節(jié)；
- 非法字符或不匹配拋 Base64Exception。
TestBase64Util.java
- 覆蓋標準模式、URL 安全模式、空輸入和非法輸入四類測試場景，確保正確性與健壯性。

6. 項目詳細總結

本項目從底層位運算與查表法出發(fā)，完整實現(xiàn)了 Base64 編解碼功能，具有以下特點：

深入原理：手寫查表法幫助理解編碼映射與填充機制；
雙模式支持：同時提供標準與 URL 安全兩種變體；
高效：預分配輸出緩沖、位運算提取、查表訪問，性能可與 java.util.Base64 媲美；
健壯：對非法長度、非法字符、空白干擾等場景做嚴格校驗并拋出友好異常；
線程安全：所有方法使用局部變量，無共享可變狀態(tài)，可安全并發(fā)調(diào)用；
易擴展：字符表與查表邏輯解耦，可替換為自定義 Base64 變體。

7. 項目常見問題及解答

Q1：為什么要手寫而不直接用 java.util.Base64？
A：手寫實現(xiàn)有助于深入理解 Base64 原理，并可在受限環(huán)境（無庫支持）中使用。

Q2：URL 安全模式為什么不加填充？
A：JWT 等場景中常省略填充以縮短長度，讀取時可自動補齊。

Q3：如何支持其他字符集的 Base64（如 Base64Url+Padding）？
A：可在 encode 方法中傳入自定義字符表，并在解碼時提供相應反向查表。

Q4：如何對大文件做流式處理？
A：可將 encode/decode 分塊調(diào)用，使用 InputStream/OutputStream，在每次塊結束時維護少量狀態(tài)。

8. 擴展方向與性能優(yōu)化

SIMD 加速

利用 Java 16+ 的 Vector API 對大塊內(nèi)存做并行位運算，提升吞吐。

JNI 本地庫

調(diào)用 C/C++ 高性能實現(xiàn)，適合超大數(shù)據(jù)場景。

緩存優(yōu)化

對頻繁相同輸入做 LRU 緩存，減少重復計算。

自定義變體

支持 Base64 Feng、Radix-64 等其他變體或自定義映射。

并行流水線

對超大流分段并發(fā)處理，再合并結果，可充分利用多核優(yōu)勢。

以上就是Java實現(xiàn)BASE64加解密算法的示例代碼的詳細內(nèi)容，更多關于Java BASE64加解密算法的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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