首页 > 软件编程 > java > Java BASE64加解密算法

Java实现BASE64加解密算法的示例代码

2025-07-17 09:46:54 作者：Katie。

Base64 编码便是一种常用的方法,它将任意二进制数据编码为可打印的 ASCII 字符,保证在文本环境下不被破坏,本项目将使用 Java 语言,从头实现基于查表法的 Base64 编码与解码工具,需要的朋友可以参考下

1. 项目背景详细介绍

在网络通信、数据存储与传输以及各种协议交互中，二进制数据常常需要以文本形式表现，以便在 HTTP、SMTP、JSON 等纯文本协议中安全传递。Base64 编码便是一种常用的方法，它将任意二进制数据编码为可打印的 ASCII 字符，保证在文本环境下不被破坏。

Java 标准库中已有 java.util.Base64 实现，但手写一套基于查表法（Table-Driven）的 Base64 编解码算法，可以帮助我们：

深入理解 Base64 的编码原理与字符映射规则；
掌握位运算与字节处理技巧；
在不依赖库的环境中灵活集成到自定义框架或受限平台（如 Android 早期版本）中。

本项目将使用 Java 语言，从头实现基于查表法的 Base64 编码与解码工具，支持标准 Base64（含 +、/、= 填充）及 URL 安全变体（-、_、无填充）。

2. 项目需求详细介绍

功能需求

Base64 编码

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

Base64 解码

输入 Base64 编码字符串，恢复原始 byte[]；
自动识别并兼容标准与 URL 安全字符；
处理缺失或多余的填充字符，保证健壮解析；

易用 API

提供静态方法：

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

支持对 String 与 byte[] 互转的简便调用；

边界与异常处理

对 null 或空输入返回空结果；
对非法字符或格式抛出自定义 Base64Exception，并带有错误位置信息。

非功能需求

性能

对大数据（如图片、视频片段）编码/解码时，避免频繁扩容，整体时空效率与 java.util.Base64 相当；

可扩展性

查表数组与位移逻辑解耦，后续可支持自定义字符集；

易测试

附带 JUnit 单元测试，覆盖标准用例、URL 变体、边界、非法输入等；

多线程安全

算法方法无共享可变状态，可并发调用。

3. 相关技术详细介绍

Base64 编码原理

将每 3 个字节（24 位）划分为 4 个 6 位单元；
每个 6 位取值映射到字符表 A–Z, a–z, 0–9, +, /；
当输入长度非 3 的倍数时，使用 = 填充保证输出长度为 4 的倍数；

查表法实现

预先构造长度为 64 的字符表 char[] ENC = {...}；
解码时构造大小为 128 或 256 的反向查表 byte[] DEC，映射字符到 6 位值；

位运算与字节处理

使用位移与掩码操作：

int b0 = data[i]   & 0xFF;
int b1 = data[i+1] & 0xFF;
int b2 = data[i+2] & 0xFF;
// 组合为 24 位：(b0<<16)|(b1<<8)|b2
// 依次提取 6 位输出

字符编码

将 byte[] 与 Java String 互转需指定字符集（如 UTF-8）；

异常设计

自定义运行时 Base64Exception，区分填充错误、非法字符、长度不匹配。

4. 实现思路详细介绍

4.1 数据结构设计

编码表

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

private static final byte[] DEC = new byte[128]; // 初始化为 -1
// 遍历 ENC，DEC[ENC[i]] = (byte)i
// 同时为 URL 变体字符赋值

4.2 编码流程

初始化：选择 ENC 或 ENC_URL；

主循环：每次处理 3 字节：

组合 24 位临时值；
右移提取 4 个 6 位索引，访查表写入输出；

尾部处理：剩余 1 或 2 字节时，补零组合并输出相应字符，最后添加 =（标准模式）；

结果拼接：使用 StringBuilder 或预估长度的 char[] 直接写入，避免扩容。

4.3 解码流程

预处理：去掉所有非 Base64 字符（如换行、空格）；

填充检测：记录末尾 = 数量，验证长度对 4 的整除；

主循环：每次读 4 个字符：

通过 DEC 查出 4 个 6 位值，组合成 24 位；
拆分为最多 3 字节，依据填充数量控制输出长度；

结果返回：收集到 byte[]，或使用 ByteArrayOutputStream 缓冲。

4.4 API 设计

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

encode：标准模式；
encodeUrlSafe：URL 安全模式；
decode：自动识别两种模式。

4.5 扩展与优化

自定义字符集：支持用户传入自定义 char[]；
无填充模式：为极端场景去掉 =；
流式 API：对大文件使用输入流/输出流分块处理；
SIMD 优化：在性能敏感场景，使用 Java 9+ 的 sun.misc.Unsafe 或 JNI 调用底层指令加速。

// ==================== 文件：Base64Exception.java ====================
package com.example.base64;
 
/**
 * Base64 编解码异常
 */
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 编解码工具，支持标准与 URL 安全模式
 */
public class Base64Util {
    // 标准 Base64 编码表
    private static final char[] ENC = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/".toCharArray();
    // URL 安全 Base64 编码表
    private static final char[] ENC_URL = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789-_".toCharArray();
    // 解码查表，-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;
    }
 
    /**
     * 标准 Base64 编码
     */
    public static String encode(byte[] data) {
        return encode(data, false);
    }
 
    /**
     * URL 安全 Base64 编码（无填充）
     */
    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;
        // 主循环，每次处理 3 字节
        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]);
        }
        // 处理尾部
        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();
    }
 
    /**
     * 自动识别标准或 URL 安全 Base64，解码为原始字节
     */
    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 长度非 4 的倍数: " + len);
        }
        // 计算填充数量
        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;
        // 主循环，每次处理 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 单元测试：验证 Base64 编解码功能
 */
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. 代码详细解读

Base64Exception.java

自定义运行时异常，用于标识非法格式或字符错误。

Base64Util.java

查表初始化：
- ENC/ENC_URL 分别定义标准与 URL 安全字符表；
- DEC 长度 128，预设为 -1，再给有效字符赋值；
编码逻辑：
- 按 3 字节一组组合 24 位，依次右移提取 6 位索引访问 ENC；
- 对尾部剩余 1 或 2 字节做特殊处理并添加 =（仅标准模式）；
- 使用 StringBuilder 预估长度，避免动态扩容。
解码逻辑：
- 去掉空白和换行；
- 验证长度为 4 的倍数并统计填充数；
- 每 4 字符通过 DEC 查表得 4×6=24 位，拆分出至多 3 字节；
- 非法字符或不匹配抛 Base64Exception。
TestBase64Util.java
- 覆盖标准模式、URL 安全模式、空输入和非法输入四类测试场景，确保正确性与健壮性。

6. 项目详细总结

本项目从底层位运算与查表法出发，完整实现了 Base64 编解码功能，具有以下特点：

深入原理：手写查表法帮助理解编码映射与填充机制；
双模式支持：同时提供标准与 URL 安全两种变体；
高效：预分配输出缓冲、位运算提取、查表访问，性能可与 java.util.Base64 媲美；
健壮：对非法长度、非法字符、空白干扰等场景做严格校验并抛出友好异常；
线程安全：所有方法使用局部变量，无共享可变状态，可安全并发调用；
易扩展：字符表与查表逻辑解耦，可替换为自定义 Base64 变体。

7. 项目常见问题及解答

Q1：为什么要手写而不直接用 java.util.Base64？
A：手写实现有助于深入理解 Base64 原理，并可在受限环境（无库支持）中使用。

Q2：URL 安全模式为什么不加填充？
A：JWT 等场景中常省略填充以缩短长度，读取时可自动补齐。

Q3：如何支持其他字符集的 Base64（如 Base64Url+Padding）？
A：可在 encode 方法中传入自定义字符表，并在解码时提供相应反向查表。

Q4：如何对大文件做流式处理？
A：可将 encode/decode 分块调用，使用 InputStream/OutputStream，在每次块结束时维护少量状态。

8. 扩展方向与性能优化

SIMD 加速

利用 Java 16+ 的 Vector API 对大块内存做并行位运算，提升吞吐。

JNI 本地库

调用 C/C++ 高性能实现，适合超大数据场景。

缓存优化

对频繁相同输入做 LRU 缓存，减少重复计算。

自定义变体

支持 Base64 Feng、Radix-64 等其他变体或自定义映射。

并行流水线

对超大流分段并发处理，再合并结果，可充分利用多核优势。

以上就是Java实现BASE64加解密算法的示例代码的详细内容，更多关于Java BASE64加解密算法的资料请关注脚本之家其它相关文章！