js中字符串转base64以及base64转字符串原理及实现

今天刷codewars的题目的时候碰到一个通过js来实现字符串转base64的题目，base64虽然在js或nodejs中经常用，但是我还真没有仔细去看过原理以及如何实现，这回绕不过去了，赶紧找了找资料看了下。

再贴下我个人粗浅的理解（不包括中文）

字符串转成base64 是对照码表来进行转化的，比如字符串abc ,将每个字符转成8位的二进制数据，然后将三个8位二进制组合起来，按照每6位一个字符重新转化，然后对照码表获得字符，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。

以下以abcd进行举例。
abc 对应的二进制字符串为：1100001_1100010_1100011_1100100,然后将每个字符换成8位的数据，没有则前面补充0,变为01100001_01100010_01100011_01100100,然后将转化后的字符按照每6位分割，变为011000_010110_001001_100011_011001_00xxxx ,如果不足六位则后面补充0，变为011000_010110_001001_100011_011001_000000.按照我粗浅的理解就是最后补充了4个0，那就加两个=，补充了两个0那就加1个=。具体讲解可以看维基。

那么，我们就可以按照上面的思路来进行一步一步的转化，当然，从base64转成字符串就相当于逆向操作是一样一样滴。

代码实现

String.prototype.toBase64 = function(){
    //字符串转base64，转为二级制（补全8位），然后按照6位（最高64）分割，然后补充后导0，添加=
    let code = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/',
        str = this,
        res = '',
        binaryStr = '';
    for(let i=0,max = str.length;i<max;i++){
        let temp = str.charCodeAt(i).toString(2);
        binaryStr += new Array(9 - temp.length).join('0') + temp;
    }
    let tail = binaryStr.length % 6,
        left = binaryStr.substr(0,binaryStr.length - tail),
        right = binaryStr.substr(binaryStr.length - tail,binaryStr.length);
    //left first
    for(let i=0,max=left.length;i<max;i+=6){
        let temp = left.substr(i,6);
        let index = parseInt(temp,2);
        res += code[index];
    }
    //right after
    if(tail){
        right = right + new Array(7-right.length).join('0');
        res += code[parseInt(right,2)];
        //根据题目要求，去掉=
        res += new Array((6 - tail)/2 + 1 ).join('=');
    }
    return res;
}
String.prototype.fromBase64 = function(){
    //base64 转字符串，反过来即可
    let code = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/';
    let str = this,res = '',binaryStr = '';
    var tail = 0;//如果有=号则处理
    for(let i=0,max = str.length;i<max;i++){
        if(str[i]== '='){
            tail ++;
        }else{
            let char = str[i],index = code.indexOf(char);
            //每个字符6位
            let temp = index.toString(2);
            binaryStr += new Array(7 - temp.length).join('0') + temp;
        }
    }
    //如果有=号，则需要重新处理下字符串
    binaryStr = binaryStr.substr(0,binaryStr.length - tail * 2);
    //split
    for(let i=0,max=binaryStr.length;i<max;i+=8){
        let temp = binaryStr.substr(i,8);
        if(temp.length > 0){
        let index = parseInt(temp,2);
        let char = String.fromCodePoint(Math.abs(index));
        res += char;
        }
    }
    return res;
}

var a = 'abcd'.toBase64();
console.log(a);
console.log(a.fromBase64())
//YWJjZA==
//abcd

以上代码不支持中文，而且性能和效率上也很差，主要是为了方便理解base64的转化，至于拿来用在生产的代码可以从网上找些，都是比较相似的。

/**
* UTF16和UTF8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
*/
var Base64 = {
    // 转码表
    table : [
            'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H',
            'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O' ,'P',
            'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X',
            'Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f',
            'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n',
            'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v',
            'w', 'x', 'y', 'z', '0', '1', '2', '3',
            '4', '5', '6', '7', '8', '9', '+', '/'
    ],
    UTF16ToUTF8 : function(str) {
        var res = [], len = str.length;
        for (var i = 0; i < len; i++) {
            var code = str.charCodeAt(i);
            if (code > 0x0000 && code <= 0x007F) {
                // 单字节，这里并不考虑0x0000，因为它是空字节
                // U+00000000 – U+0000007F     0xxxxxxx
                res.push(str.charAt(i));
            } else if (code >= 0x0080 && code <= 0x07FF) {
                // 双字节
                // U+00000080 – U+000007FF     110xxxxx 10xxxxxx
                // 110xxxxx
                var byte1 = 0xC0 | ((code >> 6) & 0x1F);
                // 10xxxxxx
                var byte2 = 0x80 | (code & 0x3F);
                res.push(
                    String.fromCharCode(byte1), 
                    String.fromCharCode(byte2)
                );
            } else if (code >= 0x0800 && code <= 0xFFFF) {
                // 三字节
                // U+00000800 – U+0000FFFF     1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
                // 1110xxxx
                var byte1 = 0xE0 | ((code >> 12) & 0x0F);
                // 10xxxxxx
                var byte2 = 0x80 | ((code >> 6) & 0x3F);
                // 10xxxxxx
                var byte3 = 0x80 | (code & 0x3F);
                res.push(
                    String.fromCharCode(byte1), 
                    String.fromCharCode(byte2), 
                    String.fromCharCode(byte3)
                );
            } else if (code >= 0x00010000 && code <= 0x001FFFFF) {
                // 四字节
                // U+00010000 – U+001FFFFF     11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
            } else if (code >= 0x00200000 && code <= 0x03FFFFFF) {
                // 五字节
                // U+00200000 – U+03FFFFFF     111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
            } else /** if (code >= 0x04000000 && code <= 0x7FFFFFFF)*/ {
                // 六字节
                // U+04000000 – U+7FFFFFFF     1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
            }
        }

        return res.join('');
    },
    UTF8ToUTF16 : function(str) {
        var res = [], len = str.length;
        var i = 0;
        for (var i = 0; i < len; i++) {
            var code = str.charCodeAt(i);
            // 对第一个字节进行判断
            if (((code >> 7) & 0xFF) == 0x0) {
                // 单字节
                // 0xxxxxxx
                res.push(str.charAt(i));
            } else if (((code >> 5) & 0xFF) == 0x6) {
                // 双字节
                // 110xxxxx 10xxxxxx
                var code2 = str.charCodeAt(++i);
                var byte1 = (code & 0x1F) << 6;
                var byte2 = code2 & 0x3F;
                var utf16 = byte1 | byte2;
                res.push(Sting.fromCharCode(utf16));
            } else if (((code >> 4) & 0xFF) == 0xE) {
                // 三字节
                // 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
                var code2 = str.charCodeAt(++i);
                var code3 = str.charCodeAt(++i);
                var byte1 = (code << 4) | ((code2 >> 2) & 0x0F);
                var byte2 = ((code2 & 0x03) << 6) | (code3 & 0x3F);
                var utf16 = ((byte1 & 0x00FF) << 8) | byte2
                res.push(String.fromCharCode(utf16));
            } else if (((code >> 3) & 0xFF) == 0x1E) {
                // 四字节
                // 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
            } else if (((code >> 2) & 0xFF) == 0x3E) {
                // 五字节
                // 111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
            } else /** if (((code >> 1) & 0xFF) == 0x7E)*/ {
                // 六字节
                // 1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
            }
        }

        return res.join('');
    },
    encode : function(str) {
        if (!str) {
            return '';
        }
        var utf8    = this.UTF16ToUTF8(str); // 转成UTF8
        var i = 0; // 遍历索引
        var len = utf8.length;
        var res = [];
        while (i < len) {
            var c1 = utf8.charCodeAt(i++) & 0xFF;
            res.push(this.table[c1 >> 2]);
            // 需要补2个=
            if (i == len) {
                res.push(this.table[(c1 & 0x3) << 4]);
                res.push('==');
                break;
            }
            var c2 = utf8.charCodeAt(i++);
            // 需要补1个=
            if (i == len) {
                res.push(this.table[((c1 & 0x3) << 4) | ((c2 >> 4) & 0x0F)]);
                res.push(this.table[(c2 & 0x0F) << 2]);
                res.push('=');
                break;
            }
            var c3 = utf8.charCodeAt(i++);
            res.push(this.table[((c1 & 0x3) << 4) | ((c2 >> 4) & 0x0F)]);
            res.push(this.table[((c2 & 0x0F) << 2) | ((c3 & 0xC0) >> 6)]);
            res.push(this.table[c3 & 0x3F]);
        }

        return res.join('');
    },
    decode : function(str) {
        if (!str) {
            return '';
        }

        var len = str.length;
        var i   = 0;
        var res = [];

        while (i < len) {
            code1 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));
            code2 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));
            code3 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));
            code4 = this.table.indexOf(str.charAt(i++));

            c1 = (code1 << 2) | (code2 >> 4);
            res.push(String.fromCharCode(c1));

            if (code3 != -1) {
                c2 = ((code2 & 0xF) << 4) | (code3 >> 2);
                res.push(String.fromCharCode(c2));
            }
            if (code4 != -1) {
                c3 = ((code3 & 0x3) << 6) | code4;
                res.push(String.fromCharCode(c3));
            }

        }

        return this.UTF8ToUTF16(res.join(''));
    }
};

var msg = 'Hello, oschina！又是一年春来到~!';
console.group('Test Base64: ');
var b64 = Base64.encode(msg);
console.log(b64);

d64 = Base64.decode(b64);
console.log(d64, d64 === msg);
console.groupEnd();

以上为js中字符串转base64的个人理解，仅供参考！