【拓展】868- 一文讀懂base64
一、為什么要使用 base64
我們知道一個(gè)字節(jié)可表示的范圍是 0 ～ 255（十六進(jìn)制：0x00 ～ 0xFF）， 其中 ASCII 值的范圍為 0 ～ 127（十六進(jìn)制：0x00 ～ 0x7F）；而超過 ASCII 范圍的 128～255（十六進(jìn)制：0x80 ～ 0xFF）之間的值是不可見字符。
ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）是基于拉丁字母的一套電腦編碼系統(tǒng)。它主要用于顯示現(xiàn)代英語，而其擴(kuò)展版本延伸美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼則可以部分支持其他西歐語言，并等同于國際標(biāo)準(zhǔn) ISO/IEC 646。
在 ASCII 碼中 0 - 31和 127 是控制字符，共 33 個(gè)。以下是其中一部分控制字符：
其余 95 個(gè)，即 32 - 126 是可打印字符，包括數(shù)字、大小寫字母、常用符號等。
當(dāng)不可見字符在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)，比如說從 A 計(jì)算機(jī)傳到 B 計(jì)算機(jī)，往往要經(jīng)過多個(gè)路由設(shè)備，由于不同的設(shè)備對字符的處理方式有一些不同，這樣那些不可見字符就有可能被處理錯(cuò)誤，這是不利于傳輸?shù)摹?/strong>
為了解決這個(gè)問題，我們可以先對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，比如 base64 編碼，變成可見字符，也就是 ASCII 碼可表示的可見字符，從而確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。Base64 的內(nèi)容是有 0 ～ 9，a ～ z，A ～ Z，+，/ 組成，正好 64 個(gè)字符，這些字符是在 ASCII 可表示的范圍內(nèi)，屬于 95 個(gè)可見字符的一部分。
二、什么是 base64
Base64 是一種基于 64 個(gè)可打印字符來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的表示方法。由于 2? = 64 ，所以每 6 個(gè)比特為一個(gè)單元，對應(yīng)某個(gè)可打印字符。3 個(gè)字節(jié)有 24 個(gè)比特，對應(yīng)于 4 個(gè) base64 單元，即 3 個(gè)字節(jié)可由 4 個(gè)可打印字符來表示。相應(yīng)的轉(zhuǎn)換過程如下圖所示：
Base64 常用于在處理文本數(shù)據(jù)的場合，表示、傳輸、存儲(chǔ)一些二進(jìn)制數(shù)據(jù)，包括 MIME 的電子郵件及 XML 的一些復(fù)雜數(shù)據(jù)。在 MIME 格式的電子郵件中，base64 可以用來將二進(jìn)制的字節(jié)序列數(shù)據(jù)編碼成 ASCII 字符序列構(gòu)成的文本。使用時(shí)，在傳輸編碼方式中指定 base64。使用的字符包括大小寫拉丁字母各 26 個(gè)、數(shù)字 10 個(gè)、加號 + 和斜杠 /，共 64 個(gè)字符，等號 ?= 用來作為后綴用途。Base64 相應(yīng)的索引表如下：
了解完上述的知識，我們以編碼 Man 字符串為例，來直觀的感受一下編碼過程。Man 由 M、a 和 n 3 個(gè)字符組成，它們對應(yīng)的 ASCII 碼為 77、97 和 110。
接著我們以每 6 個(gè)比特為一個(gè)單元，進(jìn)行 base64 編碼操作，具體如下圖所示：
由圖可知，Man （3字節(jié)）編碼的結(jié)果為 TWFu（4字節(jié)），很明顯經(jīng)過 base64 編碼后體積會(huì)增加 1/3。Man 這個(gè)字符串的長度剛好是 3，我們可以用 4 個(gè) base64 單元來表示。但如果待編碼的字符串長度不是 3 的整數(shù)倍時(shí)，應(yīng)該如何處理呢？
如果要編碼的字節(jié)數(shù)不能被 3 整除，最后會(huì)多出 1 個(gè)或 2 個(gè)字節(jié)，那么可以使用下面的方法進(jìn)行處理：先使用 0 字節(jié)值在末尾補(bǔ)足，使其能夠被 3 整除，然后再進(jìn)行 base64 的編碼。
以編碼字符 A 為例，其所占的字節(jié)數(shù)為 1，不能被 3 整除，需要補(bǔ) 2 個(gè)字節(jié)，具體如下圖所示：
由上圖可知，字符 A 經(jīng)過 base64 編碼后的結(jié)果是 QQ==，該結(jié)果后面的兩個(gè) = 代表補(bǔ)足的字節(jié)數(shù)。而最后個(gè) 1 個(gè) base64 字節(jié)塊有 4 位是 0 值。
接著我們來看另一個(gè)示例，假設(shè)需編碼的字符串為 BC，其所占字節(jié)數(shù)為 2，不能被 3 整除，需要補(bǔ) 1 個(gè)字節(jié)，具體如下圖所示：
由上圖可知，字符串 BC 經(jīng)過 base64 編碼后的結(jié)果是 QkM=，該結(jié)果后面的 1 個(gè) = 代表補(bǔ)足的字節(jié)數(shù)。而最后個(gè) 1 個(gè) base64 字節(jié)塊有 2 位是 0 值。
三、base64 編碼的應(yīng)用
3.1 顯示 base64 編碼的圖片
在編寫 HTML 網(wǎng)頁時(shí)，對于一些簡單圖片，通常會(huì)選擇將圖片內(nèi)容直接內(nèi)嵌在網(wǎng)頁中，從而減少不必要的網(wǎng)絡(luò)請求，但是圖片數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，該怎么嵌入呢？絕大多數(shù)現(xiàn)代瀏覽器都支持一種名為 Data URLs 的特性，允許使用 base64 對圖片或其他文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，將其作為文本字符串嵌入網(wǎng)頁中。
Data URLs 由四個(gè)部分組成：前綴（data:）、指示數(shù)據(jù)類型的 MIME 類型、如果非文本則為可選的 base64 標(biāo)記、數(shù)據(jù)本身：
data:[][;base64],
mediatype 是個(gè) MIME 類型的字符串，例如 "image/jpeg" 表示 JPEG 圖像文件。如果被省略，則默認(rèn)值為 text/plain;charset=US-ASCII。如果數(shù)據(jù)是文本類型，你可以直接將文本嵌入（根據(jù)文檔類型，使用合適的實(shí)體字符或轉(zhuǎn)義字符）。如果是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，你可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行 base64 編碼之后再進(jìn)行嵌入。比如嵌入一張圖片：
<img?alt="logo"?src="data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUg...">
MIME（Multipurpose Internet Mail Extensions）多用途互聯(lián)網(wǎng)郵件擴(kuò)展類型，是設(shè)定某種擴(kuò)展名的文件用一種應(yīng)用程序來打開的方式類型，當(dāng)該擴(kuò)展名文件被訪問的時(shí)候，瀏覽器會(huì)自動(dòng)使用指定應(yīng)用程序來打開。多用于指定一些客戶端自定義的文件名，以及一些媒體文件打開方式。
常見的 MIME 類型有：超文本標(biāo)記語言文本 .html text/html、PNG圖像 .png image/png、普通文本 .txt text/plain 等。
但需要注意的是：如果圖片較大，圖片的色彩層次比較豐富，則不適合使用這種方式，因?yàn)樵搱D片經(jīng)過 base64 編碼后的字符串非常大，會(huì)明顯增大 HTML 頁面的大小，從而影響加載速度。 除此之外，利用 HTML FileReader API，我們也可以方便的實(shí)現(xiàn)圖片本地預(yù)覽功能，具體代碼如下：
<input?type="file"?accept="image/*"?onchange="loadFile(event)">
<img?id="output"/>
<script>
??const?loadFile?=?function(event)?{
????const?reader?=?new?FileReader();
????reader.onload?=?function(){
??????const?output?=?document.querySelector('#output');
??????output.src?=?reader.result;
????};
????reader.readAsDataURL(event.target.files[0]);
??};
script>
在完成本地圖片預(yù)覽之后，可以直接把圖片對應(yīng)的 Data URLs 數(shù)據(jù)提交到服務(wù)器。針對這種情形，服務(wù)端需要做一些相關(guān)處理，才能正常保存上傳的圖片，這里以 Express 為例，具體處理代碼如下：
const?app?=?require('express')();
app.post('/upload',?function(req,?res){
??let?imgData?=?req.body.imgData;?//?獲取POST請求中的base64圖片數(shù)據(jù)
??let?base64Data?=?imgData.replace(/^data:image\/\w+;base64,/,?"");
??let?dataBuffer?=?Buffer.from(base64Data,?'base64');
??fs.writeFile("image.png",?dataBuffer,?function(err)?{
????if(err){
???????res.send(err);
????}else{
???????res.send("圖片上傳成功！");
????}
????});
});
3.2 瀏覽器端圖片壓縮
在一些場合中，我們希望在上傳本地圖片時(shí)，先對圖片進(jìn)行一定的壓縮，然后再提交到服務(wù)器，從而減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在前端要實(shí)現(xiàn)圖片壓縮，我們可以利用 Canvas 對象提供的 toDataURL() 方法，該方法接收 type 和 encoderOptions 兩個(gè)可選參數(shù)。
其中 type 表示圖片格式，默認(rèn)為 image/png。而 encoderOptions 用于表示圖片的質(zhì)量，在指定圖片格式為 image/jpeg 或 image/webp 的情況下，可以從 0 到 1 的區(qū)間內(nèi)選擇圖片的質(zhì)量。如果超出取值范圍，將會(huì)使用默認(rèn)值 0.92，其他參數(shù)會(huì)被忽略。
下面我們來看一下具體如何實(shí)現(xiàn)圖片壓縮：
//?compress.js
const?MAX_WIDTH?=?800;?//?圖片最大寬度
function?compress(base64,?quality,?mimeType)?{
??let?canvas?=?document.createElement("canvas");
??let?img?=?document.createElement("img");
??img.crossOrigin?=?"anonymous";
??return?new?Promise((resolve,?reject)?=>?{
????img.src?=?base64;
????img.onload?=?()?=>?{
??????let?targetWidth,?targetHeight;
??????if?(img.width?>?MAX_WIDTH)?{
????????targetWidth?=?MAX_WIDTH;
????????targetHeight?=?(img.height?*?MAX_WIDTH)?/?img.width;
??????}?else?{
????????targetWidth?=?img.width;
????????targetHeight?=?img.height;
??????}
??????canvas.width?=?targetWidth;
??????canvas.height?=?targetHeight;
??????let?ctx?=?canvas.getContext("2d");
??????ctx.clearRect(0,?0,?targetWidth,?targetHeight);
??????ctx.drawImage(img,?0,?0,?canvas.width,?canvas.height);
??????let?imageData?=?canvas.toDataURL(mimeType,?quality?/?100);
??????resolve(imageData);
????};
??});
}
對于返回的 Data URL 格式的圖片數(shù)據(jù)，為了進(jìn)一步減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，我們可以把它轉(zhuǎn)換為 Blob 對象：
function?dataUrlToBlob(base64,?mimeType)?{
??let?bytes?=?window.atob(base64.split(",")[1]);
??let?ab?=?new?ArrayBuffer(bytes.length);
??let?ia?=?new?Uint8Array(ab);
??for?(let?i?=?0;?i?????ia[i]?=?bytes.charCodeAt(i);
??}
??return?new?Blob([ab],?{?type:?mimeType?});
}
在轉(zhuǎn)換完成后，我們就可以壓縮后的圖片對應(yīng)的 Blob 對象封裝在 FormData 對象中，然后再通過 AJAX 提交到服務(wù)器上：
function?uploadFile(url,?blob)?{
??let?formData?=?new?FormData();
??let?request?=?new?XMLHttpRequest();
??formData.append("image",?blob);
??request.open("POST",?url,?true);
??request.send(formData);
}
其實(shí) Canvas 對象除了提供 toDataURL() 方法之外，它還提供了一個(gè) toBlob() 方法，該方法的語法如下：
canvas.toBlob(callback,?mimeType,?qualityArgument)
和 toDataURL() 方法相比，toBlob() 方法是異步的，因此多了個(gè) callback 參數(shù)，這個(gè) callback 回調(diào)方法默認(rèn)的第一個(gè)參數(shù)就是轉(zhuǎn)換好的 blob 文件信息。
介紹完上述的內(nèi)容，我們來看一下本地圖片壓縮完整的示例：
html>
<html>
??<head>
????<meta?charset="UTF-8"?/>
????<meta?name="viewport"?content="width=device-width,?initial-scale=1.0"?/>
????<title>本地圖片壓縮title>
??head>
??<body>
????<input?type="file"?accept="image/*"?onchange="loadFile(event)"?/>
????<script?src="./compress.js">script>
????<script>
??????const?loadFile?=?function?(event)?{
????????const?reader?=?new?FileReader();
????????reader.onload?=?async?function?()?{
??????????let?compressedDataURL?=?await?compress(
????????????reader.result,
????????????90,
????????????"image/jpeg"
??????????);
??????????let?compressedImageBlob?=?dataUrlToBlob(compressedDataURL);
??????????uploadFile("https://httpbin.org/post",?compressedImageBlob);
????????};
????????reader.readAsDataURL(event.target.files[0]);
??????};
????script>
??body>
html>
四、如何進(jìn)行 base64 編碼和解碼
4.1 使用 btoa 與 atob 函數(shù)
在 JavaScript 中，有兩個(gè)函數(shù)被分別用來處理解碼和編碼 base64 字符串：
btoa()：從字符串創(chuàng)建一個(gè) base64 編碼的 ASCII 字符串，其中字符串中的每個(gè)字符都被視為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)字節(jié)。 atob()：該函數(shù)能夠解碼通過 base64 編碼的字符串?dāng)?shù)據(jù)。
btoa 使用示例
const?name?=?'Semlinker';
const?encodedName?=?btoa(name);
console.log(encodedName);?//?U2VtbGlua2Vy
atob 使用示例
const?encodedName?=?'U2VtbGlua2Vy';
const?name?=?atob(encodedName);
console.log(name);?//?Semlinker
介紹完 btoa 和 atob 這兩個(gè)函數(shù)，我們再來看一下它們的兼容性：
（圖片來源 —— https://caniuse.com/?search=atob）
由上圖可知，除了 IE6-9 和 Opera 10.1 這些版本的瀏覽器之外，主流的瀏覽器都支持 btoa 和 atob 這兩個(gè)函數(shù)。
4.2 使用第三方庫
對于不支持 btoa 和 atob 這兩個(gè)函數(shù)的瀏覽器來說，我們可以使用第三方庫，比如 js-base64 這個(gè)庫，來實(shí)現(xiàn) base64 的編碼和解碼。
具體的使用示例如下：
html>
<html?lang="zh">
??<head>
????<meta?charset="UTF-8"?/>
????<meta?name="viewport"?content="width=device-width,?initial-scale=1.0"?/>
????<title>Base64?編碼與解碼示例title>
????<script?src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/[email protected]/base64.min.js">script>
??head>
??<body>
????<h3>Base64?編碼與解碼示例h3>
????<script>
??????let?name?=?Base64.encode("阿寶哥");
??????console.log(name);
??????console.log(Base64.decode(name));
????script>
??body>
html>
在前端進(jìn)行二進(jìn)制處理的場景中，你可能會(huì)遇到 Data URL 轉(zhuǎn)換成 Blob/File 對象的情形，接下來阿寶哥將匯總一下常用的轉(zhuǎn)換函數(shù)。
五、常用轉(zhuǎn)換函數(shù)
5.1 Data URL 轉(zhuǎn) Blob 對象
function?dataUrlToBlob(dataurl,?mimeType)?{
??let?bytes?=?window.atob(dataurl.split(",")[1]);
??let?ab?=?new?ArrayBuffer(bytes.length);
??let?ia?=?new?Uint8Array(ab);
??for?(let?i?=?0;?i?????ia[i]?=?bytes.charCodeAt(i);
??}
??return?new?Blob([ab],?{?type:?mimeType?});
}
//?使用示例
let?blob?=?dataUrlToBlob('data:text/plain;base64,aGVsbG8gd29ybGQ=','hello.txt');
console.log(blob);
5.2 Data URL 轉(zhuǎn) File 對象
function?dataUrlToFile(dataurl,?filename)?{
??let?arr?=?dataurl.split(","),
??mime?=?arr[0].match(/:(.*?);/)[1],
??bstr?=?atob(arr[1]),
??n?=?bstr.length,
??u8arr?=?new?Uint8Array(n);
??while?(n--)?{
????u8arr[n]?=?bstr.charCodeAt(n);
??}
??return?new?File([u8arr],?filename,?{?type:?mime?});
}
//?使用示例
let?file?=?dataUrlToFile('data:text/plain;base64,aGVsbG8gd29ybGQ=','hello.txt');
console.log(file);
5.3 URL 轉(zhuǎn) File 對象
function?urlToFile(url,?filename,?mimeType)?{
??return?fetch(url).then((res)?=>?{
????return?res.arrayBuffer();
??}).then((buffer)?=>{
????return?new?File([buffer],?filename,?{?type:?mimeType?});
??});
}
//?使用示例
urlToFile('data:text/plain;base64,aGVsbG8gd29ybGQ=',?'hello.txt','text/plain')
??.then(function(file){?console.log(file);});
六、總結(jié)
Base64 是一種數(shù)據(jù)編碼方式，目的是為了保障數(shù)據(jù)的安全傳輸。但標(biāo)準(zhǔn)的 base64 編碼無需額外的信息，即可以進(jìn)行解碼，是完全可逆的。因此在涉及傳輸私密數(shù)據(jù)時(shí)，并不能直接使用 base64 編碼，而是要使用專門的對稱或非對稱加密算法。如果你對加密感興趣的話，可以閱讀 玩轉(zhuǎn)混合加密 這篇文章。
七、參考資源
維基百科 - Base64 Base64 編碼原理與應(yīng)用 知乎 - 為什么要使用base64編碼，有哪些情景需求？