Java实现BASE64加解密算法的示例代码

 更新时间:2025年07月17日 09:48:17   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 Stringbyte[] 互转的简便调用;

边界与异常处理

  • 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

  • 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 ENCENC_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!

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