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Base64 原理与 C++ 实现

news 2025/10/5 8:15:34

📊 Base64 原理与 C++ 实现

一种二进制到文本的编码方案剖析

⚙️ 算法原理图解

🔍 核心代码解析

1. 字符表定义

// Base64字符映射表（64个可打印ASCII字符）
const std::string Base64::base64_chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ""abcdefghijklmnopqrstuvwxyz""0123456789+/";

2. 编码过程

static std::string encode(const std::string& input) {std::string output;int i = 0, j = 0;unsigned char char_array_3[3]; // 存储3字节原始数据unsigned char char_array_4[4]; // 存储4个6位编码单元// 遍历输入字节流for (auto c : input) {char_array_3[i++] = c;// 每积累3字节进行编码if (i == 3) {// 拆分3字节为4个6位单元char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2;char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4);char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6);char_array_4[3] = char_array_3[2] & 0x3f;// 将6位单元映射为Base64字符for (i = 0; i < 4; i++) output += base64_chars[char_array_4[i]];i = 0;}}// 处理剩余字节（不足3字节情况）if (i > 0) {// 补零操作for (j = i; j < 3; j++) char_array_3[j] = '\0';// 拆分并映射char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2;char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4);char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6);char_array_4[3] = char_array_3[2] & 0x3f;// 添加有效字符for (j = 0; j < i + 1; j++) output += base64_chars[char_array_4[j]];// 补充等号填充while (i++ < 3) output += '=';}return output;
}

📝 技术要点说明

编码原理
- 每3字节(24位)二进制数据拆分为4个6位单元
- 每个6位单元映射到64字符表中的可打印字符
- 不足3字节时补零并添加=填充符
解码过程
- 反向查表获取6位单元值
- 将4个6位单元重组为3字节原始数据
- 自动识别并跳过填充符=
性能特征
- 时间复杂度：O(n) 线性复杂度
- 空间复杂度：O(n) 输出与输入成比例
- 编码膨胀率：约33%（4字符表示3字节）

🧪 完整实现代码

以下是带详细注释的完整C++实现：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <stdexcept>
#include <chrono>
#include <cctype>
#include <algorithm>/*** Base64编码解码类* 实现RFC4648标准的Base64编码转换*/
class Base64 {
private:// Base64字符映射表（64个可打印ASCII字符）static const std::string base64_chars;/*** 验证字符是否为有效Base64字符* @param c 待验证字符* @return 是否为有效字符*/static inline bool is_base64(unsigned char c) {return (isalnum(c) || (c == '+') || (c == '/'));}public:/*** Base64编码函数* @param input 原始字符串* @return Base64编码结果*/static std::string encode(const std::string& input) {std::string output;  // 输出字符串int i = 0, j = 0;unsigned char char_array_3[3];  // 存储3字节原始数据unsigned char char_array_4[4];  // 存储4个6位编码单元size_t length = input.length();const char* bytes_to_encode = input.c_str();// 遍历输入字节流while (length--) {char_array_3[i++] = *(bytes_to_encode++);// 每积累3字节进行编码if (i == 3) {// 拆分3字节为4个6位单元char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2;char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4);char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6);char_array_4[3] = char_array_3[2] & 0x3f;// 将6位单元映射为Base64字符for (i = 0; i < 4; i++) output += base64_chars[char_array_4[i]];i = 0;}}// 处理剩余字节（不足3字节情况）if (i > 0) {// 补零操作for (j = i; j < 3; j++)char_array_3[j] = '\0';// 拆分并映射char_array_4[0] = (char_array_3[0] & 0xfc) >> 2;char_array_4[1] = ((char_array_3[0] & 0x03) << 4) + ((char_array_3[1] & 0xf0) >> 4);char_array_4[2] = ((char_array_3[1] & 0x0f) << 2) + ((char_array_3[2] & 0xc0) >> 6);char_array_4[3] = char_array_3[2] & 0x3f;// 添加有效字符for (j = 0; j < i + 1; j++)output += base64_chars[char_array_4[j]];// 补充等号填充while (i++ < 3)output += '=';}return output;}/*** Base64解码函数* @param input Base64编码字符串* @return 原始字符串*/static std::string decode(const std::string& input) {std::string output;  // 输出字符串int i = 0, j = 0, in_ = 0;unsigned char char_array_4[4];  // 存储4个6位编码单元unsigned char char_array_3[3];  // 存储3字节原始数据size_t length = input.length();// 遍历Base64字符串while (length-- && input[in_] != '=' && is_base64(input[in_])) {char_array_4[i++] = input[in_]; in_++;// 每积累4字符进行解码if (i == 4) {// 字符映射回6位值for (i = 0; i < 4; i++)char_array_4[i] = base64_chars.find(char_array_4[i]);// 重组4个6位单元为3字节char_array_3[0] = (char_array_4[0] << 2) + ((char_array_4[1] & 0x30) >> 4);char_array_3[1] = ((char_array_4[1] & 0xf) << 4) + ((char_array_4[2] & 0x3c) >> 2);char_array_3[2] = ((char_array_4[2] & 0x3) << 6) + char_array_4[3];// 添加到输出for (i = 0; i < 3; i++)output += char_array_3[i];i = 0;}}// 处理剩余字符if (i > 0) {// 补零操作for (j = i; j < 4; j++)char_array_4[j] = 0;// 字符映射回6位值for (j = 0; j < 4; j++)char_array_4[j] = base64_chars.find(char_array_4[j]);// 重组为原始字节char_array_3[0] = (char_array_4[0] << 2) + ((char_array_4[1] & 0x30) >> 4);char_array_3[1] = ((char_array_4[1] & 0xf) << 4) + ((char_array_4[2] & 0x3c) >> 2);char_array_3[2] = ((char_array_4[2] & 0x3) << 6) + char_array_4[3];// 添加有效字节for (j = 0; j < i - 1; j++)output += char_array_3[j];}return output;}
};// 初始化静态成员变量
const std::string Base64::base64_chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ""abcdefghijklmnopqrstuvwxyz""0123456789+/";/*** 运行全面测试函数* 包含功能测试和性能测试*/
void run_comprehensive_tests() {std::cout << "=== Base64编码解码全面测试 ===" << std::endl;// 测试用例结构struct TestCase {std::string original;             // 原始字符串std::string expected_encoded;     // 预期编码结果std::string description;          // 测试描述};// 定义测试用例集TestCase test_cases[] = {{"Hello, World!", "SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==", "基本英文测试"},{"Man", "TWFu", "3字节对齐测试"},{"Ma", "TWE=", "2字节填充测试"},{"M", "TQ==", "1字节填充测试"},{"", "", "空字符串测试"},{"Hello! 你好！", "SGVsbG8hIOaCqOWlhyE=", "中英文混合测试"},{"1234567890", "MTIzNDU2Nzg5MA==", "纯数字测试"},{"To err is human, but to really foul things up you need a computer.", "VG8gZXJyIGlzIGh1bWFuLCBidXQgdG8gcmVhbGx5IGZvdWwgdGhpbmdzIHVwIHlvdSBuZWVkIGEgY29tcHV0ZXIu", "长句子测试"}};int passed = 0;  // 通过测试数int total = sizeof(test_cases) / sizeof(test_cases[0]);  // 总测试数// 遍历执行所有测试用例for (const auto& test : test_cases) {std::string encoded = Base64::encode(test.original);std::string decoded = Base64::decode(encoded);bool encode_ok = (encoded == test.expected_encoded);bool decode_ok = (decoded == test.original);// 输出测试详情std::cout << "\n测试: " << test.description << std::endl;std::cout << "原始: \"" << test.original << "\"" << std::endl;std::cout << "编码: " << encoded << std::endl;std::cout << "解码: \"" << decoded << "\"" << std::endl;std::cout << "结果: " << (encode_ok && decode_ok ? "通过" : "失败") << std::endl;if (encode_ok && decode_ok) {passed++;} else {// 输出失败详情if (!encode_ok) {std::cout << "编码期望: " << test.expected_encoded << std::endl;}if (!decode_ok) {std::cout << "解码期望: \"" << test.original << "\"" << std::endl;}}}// 输出测试总结std::cout << "\n=== 测试总结 ===" << std::endl;std::cout << "通过: " << passed << "/" << total << std::endl;// 性能测试std::cout << "\n=== 性能测试 ===" << std::endl;std::string large_data(10000, 'A'); // 10KB测试数据// 编码性能测试auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();std::string encoded_large = Base64::encode(large_data);auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();auto encode_time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end - start);// 解码性能测试start = std::chrono::high_resolution_clock::now();std::string decoded_large = Base64::decode(encoded_large);end = std::chrono::high_resolution_clock::now();auto decode_time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end - start);// 输出性能结果std::cout << "10KB数据编码时间: " << encode_time.count() << " μs" << std::endl;std::cout << "10KB数据解码时间: " << decode_time.count() << " μs" << std::endl;std::cout << "数据完整性验证: " << (decoded_large == large_data ? "通过" : "失败") << std::endl;
}/*** 主函数* 执行测试并提供交互界面*/
int main() {try {// 执行全面测试run_comprehensive_tests();// 交互式测试std::cout << "\n=== 交互式测试 ===" << std::endl;std::cout << "请输入要编码的字符串 (输入'quit'退出): ";std::string user_input;while (std::getline(std::cin, user_input)) {if (user_input == "quit") break;// 执行编码解码std::string encoded = Base64::encode(user_input);std::string decoded = Base64::decode(encoded);// 输出结果std::cout << "编码结果: " << encoded << std::endl;std::cout << "解码结果: " << decoded << std::endl;std::cout << "验证: " << (decoded == user_input ? "成功" : "失败") << std::endl;std::cout << "\n继续输入 (输入'quit'退出): ";}std::cout << "测试程序结束!" << std::endl;} catch (const std::exception& e) {// 异常处理std::cerr << "发生错误: " << e.what() << std::endl;return 1;}return 0;
}