Base64編碼原理分析與PHP實現

Base64是一種基于64個可打印字符來表示二進制數據的表示方法。由于2的6次方等于64，所以每6個為一個單元，對應某個可打印字符。

三個bites有24個比特，對應于4個Base64單元，即3個字節需要用4個可打印字符來表示。它可用來作為電子郵件的傳輸編碼。

在Base64中的可打印字符包括字母A-Z、a-z、數字0-9，這樣共有62個字符，此外兩個可打印符號在不同的系統中而不同。

如在mime（多用途郵件擴展）中，Base64的使用的64個可打印字符

A-Za-z:大小寫字母各26個

0-9:加上10個數字

+:加號

/:斜杠

一共64個字符,等號“=”用來作為后綴用途

對應的轉換關系為

0-63：A-Za-z0-9+/

轉換的時候，將三個byte的數據，先后放入一個24bit的緩沖區中，先來的byte占高位。數據不足3byte的話，于緩沖器中剩下的bit用0補足。然后，每次取出6（因為2⁶=64）個bit，按照其值選擇ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/中的字符作為編碼后的輸出。不斷進行，直到全部輸入數據轉換完成。

當原數據長度不是3的整數倍時, 如果最后剩下一個輸入數據，在編碼結果后加2個“=”；如果最后剩下兩個輸入數據，編碼結果后加1個“=”；如果沒有剩下任何數據，就什么都不要加，這樣才可以保證數據還原的正確性。

實例分析：

編碼："Lailaiji"

通過查ASCII表找到對應關系

L:0x4c |  a:0x61  | i:0x69   |  l:0x6C    |  j:0x6A

因此轉換成二進制為：0100 1100 , 0110 0001 , 0110 1001 , 0110 1100 ,  0110 0001 , 0110 1001 , 0110 1010 ,  0110 1001

第一步：先取三個字節的數據即：0100 1100 , 0110 0001 , 0110 1001，然后從這個三字節中取出6位即010011，在最高位補充兩個位00使其成為1個byte，即0001 0011，剩余的18位也如此循環，最終這三個字節將擴展成為4個字節即：0001 0011, 0000 0110, 0000 0101, 0010 1001

第二步，從剩余的字節序列中再重復第一步，走到小于3個字節

第三步，這時剩余字節為：0110 1010，0110 1001不足3個字節，需要在從低位以0進行補充，即成0110 1010，0110 1001，0000 0000重復第一步，得到：0001 1010，0010 0110， 0010 0100， 0000 0000，

經過以后的運算后，我們將得到一組位序列：

0001 0011, 0000 0110, 0000 0101, 0010 1001

0001 1011，0000 0110, 0000 0101, 0010 1001

0001 1010，0010 0110, 0010 0100, 0000 0000 

轉換成十進制為：19，6，5，41，27，6，5，41，26，38，36，0

對應的字符為：T,G,F,p,b,G,F,p,a,m,k,A

特別注重的是，最后一個字節0000 0000即0x00,通過查表為A,由于最后這8位是補充的，所以它應當被轉換成=號，而不是A

因此：最終結果為：TGFpbGFpamk=

PHP實現：

<?php
$input = '賴來基';
$obj = new MyBase64();
$output = $obj->encode($input);
echo "Encode:",$output.PHP_EOL;
$output = $obj->decode($output);
echo "Decode:",$output.PHP_EOL;
class MyBase64{
	private $_table = array();
	private $_revtable = array();
	public function __construct(){
		$this->_initTable();
	}
	public function decode($string)
	{
		$orign_len = strlen($string);
		$j = 0;
		$ret = null;
		for($i=0; $i<$orign_len; $i+=4)
		{
			$chr1 = $this->getRevChr($string[$i]);
			$chr2 = $this->getRevChr($string[$i+1]);
			$chr3 = $this->getRevChr($string[$i+2]);
			$chr4 = $this->getRevChr($string[$i+3]);
			$_chr1 = $chr1<<2 | ($chr2&0x3F) >>4;
			$_chr2 = ($chr2&0x0F)<<4 | ($chr3&0xFC) >>2;
			$_chr3 = ($chr3&0x03)<<6 | $chr4;
			$ret .= chr($_chr1);
			$ret .= chr($_chr2);
			$ret .= chr($_chr3);
		}
		$ret = rtrim($ret);
		return $ret;
	}
	private function getRevChr($chr)
	{
		if(isset($this->_revtable[$chr]))
		{
			return $this->_revtable[$chr];
		}else{
			return 0;
		}
	}
	public function _decode($string)
	{
		$orign_len = strlen($string);
		$de = null;
		$kv = array_flip($this->_table);
		$b  = null;
		for($i = 0 ;$i < $orign_len;$i++)
		{
			$chr = $string[$i];
			if($chr != '='){
				$c = $kv[$chr];
			}else{
				$c = chr(0);
			}
			printf("%x",$c);
			$b[] = pack('C',$c);
			echo PHP_EOL;
		}
		for($i = 0 ;$i < count($b);$i+=3){
			$ch2 = ($b[$i]<<2) | ($b[$i+1]>>4);
			$ch3 = ($b[$i+1]<<4) | ($b[$i+2]>>2);
			$ch4 = ($b[$i+2]<<6) | ($b[$i+3]);
			printf('%08b,%08b,%08b',$ch2,$ch3,$ch4);
			echo PHP_EOL;
			printf('%08b,%08b',($b[$i]<<2) , ($b[$i+1]>>4));

			echo PHP_EOL;
		}
	}
	public function encode($string)
	{
		$orign_len = strlen($string);
		$len       = intval(ceil($orign_len/3)*3);
		$bin       = pack('a'.$len,$string);
		$gen       = null;
		for($i=0; $i<$len; $i+=3)
		{
			$ch2 = ord($bin[$i]) >> 2;
			$ch3 = ((ord($bin[$i]) & 0x03) << 4) | (ord($bin[$i+1]) >> 4);
			$ch4 = ((ord($bin[$i+1]) & 0x0F) << 2) | ((ord($bin[$i+2]) & 0xC0) >> 6);
			$ch5 = ord($bin[$i+2]) & 0x3F;
			$gen.= $this->_table[$ch2];
			$gen.= $this->_table[$ch3];
			$gen.= $this->_table[$ch4];
			$gen.= $this->_table[$ch5];
		}
		if($orign_len-$len){
			$gen = substr($gen,0, -abs($orign_len-$len));
			for($i=0;$i<$len-$orign_len;$i++)
			{
				$gen .= '=';
			}			
		}
		return $gen;
	}
	private function  _initTable()
	{
		$tbl = array();
		for($i=ord('A');$i<=ord('Z');$i++)
		{
			$tbl[] = chr($i);
		}
		for($i=ord('a');$i<=ord('z');$i++)
		{
			$tbl[] = chr($i);
		}
		for($i=ord('0');$i<=ord('9');$i++)
		{
			$tbl[] = chr($i);
		}
		$tbl[]           = '+';
		$tbl[]           = '/';
		$reverse         = array_flip($tbl);
		$this->_table    = $tbl;
		$this->_revtable = $reverse;
	}
}