JavaScript：详解Base64编码和解码

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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