Java 8中的Base64編碼和解碼

Java 8會由於將lambdas,流,新的日期/時間模型和Nashorn JavaScript引擎引入Java而被記住。有些人還會記得Java 8,由於它引入了各類小但有用的功能,例如Base64 API。什麼是Base64以及如何使用此API?這篇文章回答了這些問題。html

什麼是Base64?

Base64
是一種二進制到文本編碼方案,經過將二進制數據轉換爲基數-64表示,以可打印的 ASCII字符串格式表示二進制數據。每一個Base64數字剛好表明6位二進制數據。

Base64請求評論文件

RFC 1421中首次描述了Base64(但沒有命名):Internet電子郵件的隱私加強:第一部分:消息加密和認證過程。後來,它在RFC 2045中正式呈現爲Base64 :多用途Internet郵件擴展(MIME)第一部分:Internet消息體的格式,隨後在RFC 4648:Base16,Base32和Base64數據編碼中從新訪問。java

Base64用於防止數據在傳輸過程當中經過信息系統(例如電子郵件)進行修改,這些信息系統可能不是8-bit clean(它們多是8位值)。例如,您將圖像附加到電子郵件消息,並但願圖像到達另外一端而不會出現亂碼。您的電子郵件軟件對圖像進行Base64編碼並將等效文本插入到郵件中,以下圖所示:算法

Content-Disposition: inline;
	filename=IMG_0006.JPG
Content-Transfer-Encoding: base64

/9j/4R/+RXhpZgAATU0AKgAAAAgACgEPAAIAAAAGAAAAhgEQAAIAAAAKAAAAjAESAAMAAAABAAYA
AAEaAAUAAAABAAAAlgEbAAUAAAABAAAAngEoAAMAAAABAAIAAAExAAIAAAAHAAAApgEyAAIAAAAU
AAAArgITAAMAAAABAAEAAIdpAAQAAAABAAAAwgAABCRBcHBsZQBpUGhvbmUgNnMAAAAASAAAAAEA
...
NOMbnDUk2bGh26x2yiJcsoBIrvtPe3muBbTRGMdeufmH+Nct4chUXpwSPk/qK9GtJRMWWVFbZ0JH
I4rf2dkZSbOjt7hhEzwcujA4I7Gust75pYVwAPpXn+kzNLOVYD7xFegWEKPkHsM/pU1F0NKbNS32
o24sSCOlaaFYLUhjky4x9PSsKL5bJsdWkAz3xirH2dZLy1DM2C44zx1FZqL2PTXY/9k=
複製代碼

插圖顯示此編碼圖像以/開頭和結尾=。在...代表未展現的文字。請注意,此示例或任何其餘示例的整個編碼比原始二進制數據大大約33%。數組

收件人的電子郵件軟件將對編碼的文本圖像進行Base64解碼,以恢復原始二進制圖像。對於此示例,圖像將與消息的其他部分一塊兒顯示。安全

Base64編碼和解碼

Base64依賴於簡單的編碼和解碼算法。它們使用65個字符的US-ASCII子集,其中前64個字符中的每個都映射到等效的6位二進制序列。這是字母表:bash

Value Encoding  Value Encoding  Value Encoding  Value Encoding
    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         (pad) =
   15 P            32 g            49 x
   16 Q            33 h            50 y
複製代碼

第65個字符(=)用於將Base64編碼的文本填充到整數大小,以下所述。app

編碼算法接收8位字節的輸入流。假定該流首先以最高有效位排序:第一位是第一個字節中的高位,第八位是該字節中的低位,依此類推。ui

從左到右,這些字節被組織成24位組。每組被視爲四個鏈接的6位組。每一個6位組索引爲64個可打印字符的數組; 輸出結果字符。this

當在編碼數據的末尾有少於24位可用時,添加零位(在右側)以造成整數個6位組。而後,能夠輸出一個或兩個=填充字符。有兩種狀況須要考慮:編碼

  • 一個剩餘字節:將四個零位附加到該字節以造成兩個6位組。每一個組索引數組並輸出結果字符。在這兩個字符以後,輸出兩個=填充字符。
  • 剩下的兩個字節:兩個零位附加到第二個字節,造成三個6位組。每一個組索引數組並輸出結果字符。在這三個字符以後,輸出一個=填充字符。

讓咱們考慮三個例子來了解編碼算法的工做原理。首先,假設咱們但願編碼@!*

Source ASCII bit sequences with prepended 0 bits to form 8-bit bytes:

@        !        *
01000000 00100001 00101010

Dividing this 24-bit group into four 6-bit groups yields the following:

010000 | 000010 | 000100 | 101010

These bit patterns equate to the following indexes:

16 2 4 42

Indexing into the Base64 alphabet shown earlier yields the following encoding:

QCEq
複製代碼

咱們將繼續將輸入序列縮短爲@!

Source ASCII bit sequences with prepended 0 bits to form 8-bit bytes:

@        !       
01000000 00100001

Two zero bits are appended to make three 6-bit groups:

010000 | 000010 | 000100

These bit patterns equate to the following indexes:

16 2 4

Indexing into the Base64 alphabet shown earlier yields the following encoding:

QCE

An = pad character is output, yielding the following final encoding:

QCE=
複製代碼

最後一個示例將輸入序列縮短爲@

Source ASCII bit sequence with prepended 0 bits to form 8-bit byte:

@       
01000000

Four zero bits are appended to make two 6-bit groups:

010000 | 000000

These bit patterns equate to the following indexes:

16 0

Indexing into the Base64 alphabet shown earlier yields the following encoding:

QA

Two = pad characters are output, yielding the following final encoding:

QA==
複製代碼

解碼算法是編碼算法的逆。可是,檢測到不在Base64字母表中的字符或填充字符數不正確時,能夠自由採起適當的措施。

Base64變種

已經設計了幾種Base64變體。一些變體要求編碼的輸出流被分紅多行固定長度,每行不超過必定的長度限制,而且(最後一行除外)經過行分隔符與下一行分開(回車\r後跟一行換行\n)。我描述了Java 8的Base64 API支持的三種變體。查看Wikipedia的Base64條目以獲取完整的變體列表。

Basic

RFC 4648描述了一種稱爲

Basic

的Base64變體。此變體使用RFC 4648和RFC 2045的表1中所示的Base64字母表(並在本文前面所示)進行編碼和解碼。編碼器將編碼的輸出流視爲一行; 沒有輸出行分隔符。解碼器拒絕包含Base64字母表以外的字符的編碼。請注意,能夠覆蓋這些和其餘規定。

MIME

RFC 2045描述了一種稱爲

MIME

的Base64變體。此變體使用RFC 2045的表1中提供的Base64字母表進行編碼和解碼。編碼的輸出流被組織成不超過76個字符的行; 每行(最後一行除外)經過行分隔符與下一行分隔。解碼期間將忽略Base64字母表中未找到的全部行分隔符或其餘字符。

URL and Filename Safe

RFC 4648描述了一種稱爲

URL和文件名安全

的Base64變體。此變體使用RFC 4648的表2中提供的Base64字母表進行編碼和解碼。字母表與前面顯示的字母相同,只是-替換+_替換/。不輸出行分隔符。解碼器拒絕包含Base64字母表以外的字符的編碼。

Base64編碼在冗長的二進制數據和HTTP GET請求的上下文中頗有用。咱們的想法是對這些數據進行編碼,而後將其附加到HTTP GET URL。若是使用Basic或MIME變體,則編碼數據中的任何+/字符必須被URL編碼爲十六進制序列(+變爲%2B/變爲%2F)。生成的URL字符串會稍長一些。經過更換+-/_,URL和文件名安全消除了對URL編碼器/解碼器(和它們的編碼值的長度影響)的須要。此外,當編碼數據用於文件名時,此變體頗有用,由於Unix和Windows文件名不能包含/

使用Java的Base64 API

Java 8引入一個Base64 API,包括java.util.Base64類及其嵌套staticEncoderDecoderBase64有幾種獲取編碼器和解碼器的static方法:

  • Base64.Encoder getEncoder():返回Basic變體的編碼器。
  • Base64.Decoder getDecoder():返回Basic變體的解碼器。
  • Base64.Encoder getMimeEncoder():返回MIME變體的編碼器。
  • Base64.Encoder getMimeEncoder(int lineLength, byte[] lineSeparator):返回具備給定lineLength的已修改MIME變體的編碼器(向下舍入到最接近的4的倍數 - 輸出在lineLength<= 0 時不分紅行)和lineSeparator。當lineSeparator包含RFC 2045的表1中列出的任何Base64字母字符時,它會拋出java.lang.IllegalArgumentExceptiongetMimeEncoder()方法返回的RFC 2045編碼器是至關嚴格的。例如,該編碼器建立具備76個字符的固定行長度(最後一行除外)的編碼文本。若是您但願編碼器支持RFC 1421,它指定固定行長度爲64個字符,則須要使用getMimeEncoder(int lineLength, byte[] lineSeparator)
  • Base64.Decoder getMimeDecoder():返回MIME變體的解碼器。
  • Base64.Encoder getUrlEncoder():返回URL和Filename Safe變體的編碼器。
  • Base64.Decoder getUrlDecoder():返回URL和Filename Safe變體的解碼器。

Base64.Encoder提出了幾種用於編碼字節序列的線程安全實例方法 將空引用傳遞給如下方法之一會致使java.lang.NullPointerException

  • byte[] encode(byte[] src):將src全部字節編碼到新分配的字節數組中,而後返回結果。
  • int encode(byte[] src, byte[] dst):編碼src全部字節到dst(開始於偏移0)。若是dst不足以保存編碼,則拋出IllegalArgumentException。不然,返回寫入dst的字節數。
  • ByteBuffer encode(ByteBuffer buffer):將buffer全部剩餘字節編碼到新分配的java.nio.ByteBuffer對象中。返回後,buffer的position將更新到它的limit; 它的limit不會改變。返回的輸出緩衝區的position將爲零,其limit將是結果編碼字節的數量。
  • String encodeToString(byte[] src):將src全部字節編碼爲一個字符串,並返回該字符串。調用此方法等同於執行new String(encode(src), StandardCharsets.ISO_8859_1)
  • Base64.Encoder withoutPadding():返回與此編碼器等效編碼的編碼器,但不在編碼字節數據的末尾添加任何填充字符。
  • OutputStream wrap(OutputStream os):包裝輸出流以編碼字節數據。建議在使用後當即關閉返回的輸出流,在此期間它會將全部可能的剩餘字節刷新到底層輸出流。關閉返回的輸出流將關閉基礎輸出流。

Base64.Decoder提出了幾種解碼字節序列的線程安全實例方法。將空引用傳遞給如下方法之一會致使NullPointerException

  • byte[] decode(byte[] src):將src全部字節解碼爲新分配的字節數組,而後返回。當Base64無效時拋出IllegalArgumentException
  • int decode(byte[] src, byte[] dst):解碼src全部字節到dst(從偏移量0開始)。若是dst不足以保存解碼,或者當Base64無效的時,拋出IllegalArgumentException。不然,返回寫入dst的字節數。
  • byte[] decode(String src):將src全部字節解碼爲新分配的字節數組,並返回該字節數組。調用此方法至關於調用decode(src.getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1))。當Base64無效時拋出IllegalArgumentException
  • ByteBuffer decode(ByteBuffer buffer):將buffer全部字節解碼爲新分配的java.nio.ByteBuffer對象。返回後,buffer其position將更新爲它的limit; 它的limit不會改變。返回的輸出緩衝區的position將爲零,其limit將是生成的解碼字節數。當Base64無效時拋出IllegalArgumentException。在這種狀況下,buffer位置不會更新。
  • InputStream wrap(InputStream is):包裝輸入流以解碼字節數據。當輸入Base64無效時,is對象的read()方法拋出java.io.IOException。關閉返回的輸出流將關閉基礎輸出流。

你好,Base64

Java的Base64 API易於使用。考慮一個「Hello,World」式程序,使用Basic編碼器對Base64進行編碼,而後使用Basic解碼器對編碼文本進行Base64解碼。清單1展現了源代碼。

清單1。 HelloBase64.java

import java.util.Base64;

public class HelloBase64
{
   public static void main(String[] args)
   {
      String msg = "Hello, Base64!";
      Base64.Encoder enc = Base64.getEncoder();
      byte[] encbytes = enc.encode(msg.getBytes());
      for (int i = 0; i < encbytes.length; i++)
      {
         System.out.printf("%c", (char) encbytes[i]);
         if (i != 0 && i % 4 == 0)
            System.out.print(' ');
      }
      System.out.println();
      Base64.Decoder dec = Base64.getDecoder();
      byte[] decbytes = dec.decode(encbytes);
      System.out.println(new String(decbytes));
   }
}複製代碼

編譯清單1以下:

javac HelloBase64.java複製代碼

運行生成的應用程序以下:

java HelloBase64複製代碼

您應該觀察如下輸出:

SGVsb G8sI EJhc 2U2N CE=
Hello, Base64!複製代碼

文件編碼和解碼

Base64對編碼文件更有用。我已經建立了第二個應用程序,它演示了這個有用性以及更多的Base64 API。清單2顯示了應用程序的源代碼。

清單2。 FileEncDec.java

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

import java.util.Base64;

public class FileEncDec
{
   public static void main(String[] args)
   {
      if (args.length != 1)
      {
         System.err.println("usage: java FileEncDec filename");
         return;
      }
      try (FileInputStream fis = new FileInputStream(args[0]))
      {
         Base64.Encoder enc1 = Base64.getEncoder();
         Base64.Encoder enc2 = Base64.getMimeEncoder();
         Base64.Encoder enc3 = Base64.getUrlEncoder();
         OutputStream os1 = enc1.wrap(new FileOutputStream(args[0] + "1.enc"));
         OutputStream os2 = enc2.wrap(new FileOutputStream(args[0] + "2.enc"));
         OutputStream os3 = enc3.wrap(new FileOutputStream(args[0] + "3.enc"));
         int _byte;
         while ((_byte = fis.read()) != -1)
         {
            os1.write(_byte);
            os2.write(_byte);
            os3.write(_byte);
         }
         os1.close();
         os2.close();
         os3.close();
      }
      catch (IOException ioe)
      {
         System.err.printf("I/O error: %s%n", ioe.getMessage());
      }
      try (FileOutputStream fos1 = new FileOutputStream("1" + args[0]);
           FileOutputStream fos2 = new FileOutputStream("2" + args[0]);
           FileOutputStream fos3 = new FileOutputStream("3" + args[0]))
      {
         Base64.Decoder dec1 = Base64.getDecoder();
         Base64.Decoder dec2 = Base64.getMimeDecoder();
         Base64.Decoder dec3 = Base64.getUrlDecoder();
         InputStream is1 = dec1.wrap(new FileInputStream(args[0] + "1.enc"));
         InputStream is2 = dec2.wrap(new FileInputStream(args[0] + "2.enc"));
         InputStream is3 = dec3.wrap(new FileInputStream(args[0] + "3.enc"));
         int _byte;
         while ((_byte = is1.read()) != -1)
            fos1.write(_byte);
         while ((_byte = is2.read()) != -1)
            fos2.write(_byte);
         while ((_byte = is3.read()) != -1)
            fos3.write(_byte);
         is1.close();
         is2.close();
         is3.close();
      }
      catch (IOException ioe)
      {
         System.err.printf("I/O error: %s%n", ioe.getMessage());
      }
   }
}複製代碼

FileEncDec應用程序須要一個文件做爲其孤立命令行參數的名稱。它繼續打開此文件並讀取其內容。每一個讀取字節經過不一樣的編碼器和包裝的輸出流寫入另外一個文件。以後,這些文件經過不一樣的解碼器和包裝的輸入流打開和讀取。結果存儲在三個單獨的文件中。

編譯清單2以下:

javac FileEncDec.java複製代碼

運行生成的應用程序以下(假設一個名爲JPEG的文件image.jpg- 請參閱帖子的代碼存檔):

java FileEncDec image.jpg複製代碼

您應該在當前目錄中觀察image.jpg1.encimage.jpg2.encimage.jpg3.enc文件。

image.jpg1.enc將Basic編碼存儲在一個長行上。下面是輸出的前綴,爲了便於閱讀,分爲兩行(...序列表示內容未顯示):

/9j/4AAQSkZJRgABAQEASABIAAD/4QAiRXhpZgAATU0AKgAAAAgAAQESAAMAAAABAAEAAAAAAAD/
   4QM6aHR0cDovL25zLmFkb2JlLmNvbS94YXAvMS4wLwA8P3hwYWNrZXQgYmVnaW49Iu+...複製代碼

image.jpg2.enc 將MIME編碼存儲在多行中:

/9j/4AAQSkZJRgABAQEASABIAAD/4QAiRXhpZgAATU0AKgAAAAgAAQESAAMAAAABAAEAAAAAAAD/
4QM6aHR0cDovL25zLmFkb2JlLmNvbS94YXAvMS4wLwA8P3hwYWNrZXQgYmVnaW49Iu+7vyIgaWQ9
Ilc1TTBNcENlaGlIenJlU3pOVGN6a2M5ZCI/Pg0KPHg6eG1wbWV0YSB4bWxuczp4PSJhZG9iZTpu
czptZXRhLyIgeDp4bXB0az0iQWRvYmUgWE1QIENvcmUgNS4wLWMwNjAgNjEuMTM0Nzc3LCAyMDEw
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dy53My5vcmcvMTk5OS8wMi8yMi1yZGYtc3ludGF4LW5zIyI+DQoJCTxyZGY6RGVzY3JpcHRpb24g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qKmqsrO0tba3uLm6wsPExcbHyMnK0tPU1dbX2Nna4uPk5ebn6Onq8vP09fb3+Pn6/9oADAMBAAIR
AxEAPwD4y1DwrZ3epxppsxS3cfeu+HUDO5yqAnbweEDkY6k11fw4+GWqeI9JhSVdBt9Ljma6Ek9r
FctNIiqTEzxgybSDGChYL+9XALMM/JegyRfEgSTb9bsWRDKRNEbhlD7WXaU5IYuMMABkkkdSOh8R
RSJcxx3etaha2cajCTJ5URXLFXljPzu3mbThlYZ6Z5A7KvFNFv2cZpPzvf8AJK/3k0chqW9pKLa8
rW/Vn3t8QvFPjb4x67pOm+NNQ0O60nTLb93YWV9Nplpdg4HkzSAFlCRFkHUgBc8FiPBde8IyWuma
pfXnhW6sYdPVXeaK6WO0hSRhHENzZ8xtxUfKxZuSc5BHz78NfjD4m8D+L9S1nSbfxprV5q0TLqd3
aRzNLewuypyXyZkO9sIE2rsU4GMjd+HXizVPhemq3Xh61+L1zHrbLpl3LcaVt8uzYoGkBKs8bqD8
skfzFN4Kxh+eT/Wilhnytp7bJ2v1Wj0b8/yR1f2DOurxut92vlvul5H0xofxB8Eaf8HZobj4c6dp
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2l0OG8WeztVW5kJE7pN5SLvXAHLSuxbhjwNuxQRV4XiqlVp+0hCXvaq7Xyvdt+W2+yM8Vw/UpT5J
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/qPgJXlFyT23dvuTX5ov/WrGxsna3or/AHtM/9k=複製代碼

image.jpg3.enc將URL和文件名安全編碼存儲在一個長行上。下面是輸出的前綴,分爲兩行以便於閱讀:

_9j_4AAQSkZJRgABAQEASABIAAD_4QAiRXhpZgAATU0AKgAAAAgAAQESAAMAAAABAAEAAAAAAAD_
   4QM6aHR0cDovL25zLmFkb2JlLmNvbS94YXAvMS4wLwA8P3hwYWNrZXQgYmVnaW49Iu-...複製代碼

image.jpg1.encimage.jpg3.enc之間的區別在於每一個/都被替換爲 _而且每一個+都被替換爲 -

您還應該在當前目錄中觀察1image.jpg2image.jpg3image.jpg文件。這些文件中的每個都包含相同的內容image.jpg

結論

Base64 API是Java 8引入的各類小「寶石」之一。若是你必須使用Base64,你會發現這個API很是方便。我鼓勵您嘗試一下Base64,從本文未涉及的方法開始。

原文連接:www.javaworld.com/article/324…

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