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JavaScript:详解Base64编码和解码

[日期:2014-02-20] 来源:51CTO  作者: [字体: ]

  Base64是最常用的编码之一,比如开发中用于传递参数、现代浏览器中的<img />标签直接通过Base64字符串来渲染图片以及用于邮件中等等。Base64编码在RFC2045中定义,它被定义为:Base64内容传送编码被设计用来把任意序列的8位字节描述为一种不易被人直接识别的形式。
  我们知道,任何数据在计算机中都是以二进制的方式存储的。一个字节为8位,一个字符在计算机中存储为一个或多个字节,比如英文字母、数字以及英文标点符号就是用一个 字节来存储的,通常称为ASCII码。而简体中文、繁体中文、日文以及韩文等都是用多字节来存储的,通常称为多字节字符。因为Base64编码是对字符串的编码表示进行处理的,不同编码的字符串的Base64的结果是不同的,所以我们需要了解基本的字符编码知识。
  字符编码基础
  计算机最开始只支持ASCII码,一个字符用一个字节表示,只用了低7位,最高位为0,因此总共有128个ASCII码,范围为0~127。后来为了支持多种地区的语言,各大组织机构和IT厂商开始发明它们自己的编码方案,以便弥补ASCII编码的不足,如GB2312编码、GBK编码和Big5编码等。但这些编码都只是针对局部地区或少数语言文字,没有办法表达所有的语言文字。而且这些不同的编码之间并没有任何联系,它们之间的转换需要通过查表来实现。
  为了提高计算机的信息处理和交换功能,使得世界各国的文字都能在计算机中处理,从1984年起,ISO组织就开始研究制定一个全新的标准:通用多八位(即多字节)编码字符集(Universal Multiple-Octet Coded Character Set),简称UCS。标准的编号为:ISO 10646。这一标准为世界各种主要语言的字符(包括简体及繁体的中文字)及附加符号,编制统一的内码。
  统一码(Unicode)是Universal Code的缩写,是由另一个叫“Unicode学术学会”(The Unicode Consortium)的机构制定的字符编码系统。Unicode与ISO 10646国际编码标准从内容上来说是同步一致的。具体可参考:Unicode 。
  ANSI
  ANSI不代表具体的编码,它是指本地编码。比如在简体版windows上它表示GB2312编码,在繁体版windows上它表示Big5编码,在日文操作系统上它表示JIS编码。所以如果您新建了个文本文件并保存为ANSI编码,那么您现在应该知道这个文件的编码为本地编码。
  Unicode
  Unicode编码是和字符表一一映射的。比如56DE代表汉字'回',这种映射关系是固定不变的。通俗的说Unicode编码就是字符表的坐标,通过56DE就能找到汉字'回'。Unicode编码的实现包括UTF8、UTF16、UTF32等等。
  Unicode本身定义的就是每个字符的数值,是字符和自然数的映射关系,而UTF-8或者UTF-16甚至UTF-32则定义了如何在字节流中断字,是计算机领域的概念。


  通过上图我们知道,UTF-8编码为变长的编码方式,占1~6个字节,可通过Unicode编码值的区间来判断,并且每个组成UTF8字符的字节都是有规律可循的。本文只讨论UTF8和UTF16这两种编码。
  UTF16
  UTF16编码使用固定的2个字节来存储。因为是多字节存储,所以它的存储方式分为2种:大端序和小端序。UTF16编码是Unicode最直接的实现方式,通常我们在windows上新建文本文件后保存为Unicode编码,其实就是保存为UTF16编码。UTF16编码在windows上采用小端序的方式存储,以下我新建了个文本文件并保存为Unicode编码来测试,文件中只输入了一个汉字'回',之后我用Editplus打开它,切换到十六进制方式查看,如图所示:


  我们看到有4个字节,前2个字节FF FE是文件头,表示这是一个UTF16编码的文件,而DE 56则是'回'的UTF16编码的十六进制。我们经常使用的JavaScript语言,它内部就是采用UTF16编码,并且它的存储方式为大端序,来看一个例子:
  <script type="text/javascript">
  console.group('Test Unicode: ');
  console.log(('回'.charCodeAt(0)).toString(16).toUpperCase());
  </script>
  很明显跟刚才Editplus显示的不一样,顺序是相反的,这是因为字节序不一样。具体可参考:UTF-16 。
  UTF8
  UTF8是采用变长的编码方式,为1~6个字节,但通常我们只把它看作单字节或三字节的实现,因为其它情况实在少见。UTF8编码通过多个字节组合的方式来显示,这是计算机处理UTF8的机制,它是无字节序之分的,并且每个字节都非常有规律,详见上图,在此不再详述。
  UTF16和UTF8的相互转换
  UTF16转UTF8
  UTF16和UTF8之间的相互转换可以通过上图的转换表来实现,判断Unicode码所在的区间就可以得到这个字符是由几个字节所组成,之后通过移位来实现。我们用汉字'回'来举一个转换的例子。
  我们已经知道汉字'回'的Unicode码是0x56DE,它介于U+00000800 – U+0000FFFF之间,所以它是用三个字节来表示的。
  所以我们需要将0x56DE这个双字节的值变为三字节的值,注意上图中的x部分,就是对应0x56DE的各位字节,如果您数一下x的个数,会发现刚好是16位。
  转换思路
  从0x56DE中取出4位放在低位,并和二进制的1110结合,这就是第一个字节。从0x56DE中剩下的字节中取出6位放在低位,并和二进制的10结合,这就是第二个字节。第三个字节依照类似的方式实现。
  代码实现
  为了让大家更好的理解,以下代码只是实现汉字'回'的转换,代码如下:
  <script type="text/javascript">
  /**
  * 转换对照表
  * U+00000000 – U+0000007F  0xxxxxxx
  * U+00000080 – U+000007FF  110xxxxx 10xxxxxx
  * U+00000800 – U+0000FFFF  1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  * U+00010000 – U+001FFFFF  11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  * U+00200000 – U+03FFFFFF  111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  * U+04000000 – U+7FFFFFFF  1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  */
  /*
  * '回'的Unicode编码为:0x56DE,它介于U+00000800 – U+0000FFFF之间,所以它占用三个字节。
  * U+00000800 – U+0000FFFF  1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  */
  var ucode = 0x56DE;
  // 1110xxxx
  var byte1 = 0xE0 | ((ucode >> 12) & 0x0F);
  // 10xxxxxx
  var byte2 = 0x80 | ((ucode >> 6) & 0x3F);
  // 10xxxxxx
  var byte3 = 0x80 | (ucode & 0x3F);
  var utf8 = String.fromCharCode(byte1)
  + String.fromCharCode(byte2)
  + String.fromCharCode(byte3);
  console.group('Test UTF16ToUTF8: ');
  console.log(utf8);
  console.groupEnd();
  </script>
  输出的结果看起来像乱码,这是因为JavaScript不知道如何显示UTF8的字符。您或许会说输出不正常转换还有什么用,但您应该知道转换的目的还经常用于传输或API的需要。
  UTF8转UTF16
  这是UTF16转换到UTF8的逆转换,同样需要对照转换表来实现。还是接上一个例子,我们已经得到了汉字'回'的UTF8编码,这是三个字节的,我们只需要按照转换表来转成双字节的,如图所示,我们需要保留下所有的x。
  代码如下:
  <script type="text/javascript">
  /**
  * 转换对照表
  * U+00000000 – U+0000007F  0xxxxxxx
  * U+00000080 – U+000007FF  110xxxxx 10xxxxxx
  * U+00000800 – U+0000FFFF  1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  * U+00010000 – U+001FFFFF  11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  * U+00200000 – U+03FFFFFF  111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  * U+04000000 – U+7FFFFFFF  1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  */
  /*
  * '回'的Unicode编码为:0x56DE,它介于U+00000800 – U+0000FFFF之间,所以它占用三个字节。
  * U+00000800 – U+0000FFFF  1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  */
  var ucode = 0x56DE;
  // 1110xxxx
  var byte1 = 0xE0 | ((ucode >> 12) & 0x0F);
  // 10xxxxxx
  var byte2 = 0x80 | ((ucode >> 6) & 0x3F);
  // 10xxxxxx
  var byte3 = 0x80 | (ucode & 0x3F);
  var utf8 = String.fromCharCode(byte1)
  + String.fromCharCode(byte2)
  + String.fromCharCode(byte3);
  console.group('Test UTF16ToUTF8: ');
  console.log(utf8);
  console.groupEnd();
  /** ------------------------------------------------------------------------------------*/
  // 由三个字节组成,所以分别取出
  var c1 = utf8.charCodeAt(0);
  var c2 = utf8.charCodeAt(1);
  var c3 = utf8.charCodeAt(2);
  /*
  * 需要通过判断特定位的方式来转换,但这里是已知是三个字节,所以忽略判断,而是直接拿到所有的x,组成16位。
  * U+00000800 – U+0000FFFF  1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  */
  // 丢弃第一个字节的高四位并和第二个字节的高四位组成一个字节
  var b1 = (c1 << 4) | ((c2 >> 2) & 0x0F);
  // 同理第二个字节和第三个字节组合
  var b2 = ((c2 & 0x03) << 6) | (c3 & 0x3F);
  // 将b1和b2组成16位
  var ucode = ((b1 & 0x00FF) << 8) | b2;
  console.group('Test UTF8ToUTF16: ');
  console.log(ucode.toString(16).toUpperCase(), String.fromCharCode(ucode));
  console.groupEnd();
  </script>
  知道了转换规则,就很容易实现了。
  Base64编码
  Base64编码要求把3个8位字节(3*8=24)转化为4个6位的字节(4*6=24),之后在6位的前面补两个0,形成8位一个字节的形式。由于2的6次方为64,所以每6个位为一个单元,对应某个可打印字符。当原数据不是3的整数倍时,如果最后剩下两个输入数据,在编码结果后加1个“=;如果最后剩下一个输入数据,编码结果后加2个“=;如果没有剩下任何数据,就什么都不要加,这样才可以保证资料还原的正确性。
  转码对照表
  每6个单元高位补2个零形成的字节位于0~63之间,通过在转码表中查找对应的可打印字符。“=”用于填充。如下图所示为转码表。





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