org.apache.commons.codec源碼闡述

一、什麼是org.apache.commons.codec？

org.apache.commons.codec是一組對數據編碼進行處理的Java包，它提供了多種常見的編碼方法，例如：Base64、URL、Hex、Quoted-printable等等。它不僅僅提供編碼的方法，還提供了一些與編碼有關的工具類和一些擴展的編碼類型，本篇文章將重點關注於Base64編碼的實現細節，以及Hex編碼和URL編碼的區別。並且提供一些代碼示例介紹。

二、Base64編碼實現細節

Base64是一種將任意二進位數據以文本形式進行編碼的方法， Base64對於二進位數據的處理能力非常強大，它可以編碼任何字符集中的任何字元，並且編碼後的結果都可以上傳或者傳輸，但是編碼結果的文本長度會比原始二進位數據長度大。Base64編碼的實現細節通常需要包括以下幾點：

1、編碼表的生成

public static final byte[] ENCODE_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', '+', '/'
};

2、剩餘位元組的計算

Base64每次對指定長度的數據編碼時，需要考慮最後剩餘的位元組數，一般會在最後添加1至2個「=」（即Padding），使編碼後的數據長度滿足4的倍數，例如：如果最後剩餘3個位元組，則需要添加1位元組的Padding；如果最後剩餘2個位元組，則需要添加2位元組的Padding。這裡是以byte[]為例進行計算，實際上涉及到其他類型時需要對應調整。

if (remaining == 0) {
        encoded[outputIndex++] = ENCODE_TABLE[ buffer[0] >> 2 ];
        encoded[outputIndex++] = ENCODE_TABLE[ (buffer[0] & 0x03) <> 2 ];
        encoded[outputIndex++] = ENCODE_TABLE[ ( (buffer[0] & 0x03) <> 4 ) ];
        encoded[outputIndex++] = ENCODE_TABLE[ (buffer[1] & 0x0f) <> 2 ];
        encoded[outputIndex++] = ENCODE_TABLE[ ( (buffer[0] & 0x03) <> 4 ) ];
        encoded[outputIndex++] = ENCODE_TABLE[ ( (buffer[1] & 0x0f) <> 6 ) ];
        encoded[outputIndex++] = ENCODE_TABLE[ buffer[2] & 0x3f ];
}

3、將「=」 Padding 去除

Base64編碼的結果中可能會包含1至2個「=」字元，這是通過在最後補充數據位元組的方式來實現數據長度補齊的，但也會使得編碼結果的長度增加。因此，對於某些應用場景有去除「=」字元的需求。例如：當使用SMTP發送郵件時，Base64編碼的數據傳輸必須考慮行長度的限制，經由信道進行數據傳輸時還需考慮二進位數據中可能存在像”.”這樣的特殊字元，所以SMTP服務通常會對每行數據進行截斷和連接。去掉Base64編碼結果中的「=」字元可以有效的增加數據字元的密度，減少數據在網路傳輸中帶寬的消耗。

public static byte[] decode(String source, boolean removePadding) {
        byte[] data = decode(source);
        if (removePadding) {
            int paddingCount = 0;
            for (int i = data.length - 1; i >= 0; i--) {
                if (data[i] == '=') {
                    paddingCount++;
                } else {
                    break;
                }
            }
            if (paddingCount > 0) {
                byte[] temp = new byte[data.length - paddingCount];
                System.arraycopy(data, 0, temp, 0, temp.length);
                return temp;
            }
        }
        return data;
}

三、Hex編碼和URL編碼的區別

雖然Hex和URL編碼與Base64編碼類似，但是它們的具體實現方式不同，也有不同的應用場景。

1、Hex編碼

Hex編碼是一種將二進位數據轉化為十六進位字元串的方法。Hex編碼常使用在各種數據存儲和傳輸場景，例如將一個電子郵件地址的發件人、收件人、主題和正文數據轉換為十六進位字元串。Hex編碼還可以使得程序更方便的處理、存儲和傳輸二進位數據，因此在某些極端情況下，例如程序進行加密解密時也非常常見。

String result = Hex.encodeHexString( byteArray );
byte[] byteArray = Hex.decodeHex( result.toCharArray() );

2、URL編碼

URL編碼和Base64編碼一樣，是一種將任意二進位數據轉化為字符集合的方法，但和Base64不同的是，URL編碼在編碼過程中要將一些具有特殊含義的字元，例如：「/」，「?」，「=」等字元換成其他字元以實現編碼，這樣可以保證編碼數據和URL之間沒有任何的衝突，也使得URL編碼在數據存儲和傳輸的場景中更適用並且更安全。

String source = "http://www.google.com";
String result = URLEncoder.encode( source, StandardCharsets.UTF_8.toString() );
String result = URLDecoder.decode( result, StandardCharsets.UTF_8.toString() );