编码算法

要学习编码算法，我们先来看一看什么是编码。

ASCII码就是一种编码，字母A的编码是十六进制的0x41，字母B是0x42，以此类推：

因为ASCII编码最多只能有128个字符，要想对更多的文字进行编码，就需要用Unicode。而中文的中使用Unicode编码就是0x4e2d，使用UTF-8则需要3个字节编码：

因此，最简单的编码是直接给每个字符指定一个若干字节表示的整数，复杂一点的编码就需要根据一个已有的编码推算出来。

比如UTF-8编码，它是一种不定长编码，但可以从给定字符的Unicode编码推算出来。

URL编码

URL编码是浏览器发送数据给服务器时使用的编码，它通常附加在URL的参数部分，例如：

https://www.baidu.com/s?wd=%E4%B8%AD%E6%96%87

之所以需要URL编码，是因为出于兼容性考虑，很多服务器只识别ASCII字符。但如果URL中包含中文、日文这些非ASCII字符怎么办？不要紧，URL编码有一套规则：

• 如果字符是A~Z，a~z，0~9以及-、_、.、*，则保持不变；
• 如果是其他字符，先转换为UTF-8编码，然后对每个字节以%XX表示。

例如：字符中的UTF-8编码是0xe4b8ad，因此，它的URL编码是%E4%B8%AD。URL编码总是大写。

Java标准库提供了一个URLEncoder类来对任意字符串进行URL编码：

import java.net.URLEncoder;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String encoded = URLEncoder.encode("中文!", StandardCharsets.UTF_8);
        System.out.println(encoded);
    }
}

上述代码的运行结果是%E4%B8%AD%E6%96%87%21，中的URL编码是%E4%B8%AD，文的URL编码是%E6%96%87，!虽然是ASCII字符，也要对其编码为%21。

和标准的URL编码稍有不同，URLEncoder把空格字符编码成+，而现在的URL编码标准要求空格被编码为%20，不过，服务器都可以处理这两种情况。

如果服务器收到URL编码的字符串，就可以对其进行解码，还原成原始字符串。Java标准库的URLDecoder就可以解码：

import java.net.URLDecoder;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String decoded = URLDecoder.decode("%E4%B8%AD%E6%96%87%21", StandardCharsets.UTF_8);
        System.out.println(decoded);
    }
}

要特别注意：URL编码是编码算法，不是加密算法。URL编码的目的是把任意文本数据编码为%前缀表示的文本，编码后的文本仅包含A~Z，a~z，0~9，-，_，.，*和%，便于浏览器和服务器处理。

Base64编码

URL编码是对字符进行编码，表示成%xx的形式，而Base64编码是对二进制数据进行编码，表示成文本格式。

Base64编码可以把任意长度的二进制数据变为纯文本，且只包含A~Z、a~z、0~9、+、/、=这些字符。它的原理是把3字节的二进制数据按6bit一组，用4个int整数表示，然后查表，把int整数用索引对应到字符，得到编码后的字符串。

举个例子：3个byte数据分别是e4、b8、ad，按6bit分组得到39、0b、22和2d：

┌───────────────┬───────────────┬───────────────┐
│      e4       │      b8       │      ad       │
└───────────────┴───────────────┴───────────────┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
│1│1│1│0│0│1│0│0│1│0│1│1│1│0│0│0│1│0│1│0│1│1│0│1│
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌───────────┬───────────┬───────────┬───────────┐
│    39     │    0b     │    22     │    2d     │
└───────────┴───────────┴───────────┴───────────┘

因为6位整数的范围总是0~63，所以，能用64个字符表示：字符A~Z对应索引0~25，字符a~z对应索引26~51，字符0~9对应索引52~61，最后两个索引62、63分别用字符+和/表示。

在Java中，二进制数据就是byte[]数组。Java标准库提供了Base64来对byte[]数组进行编解码：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] input = new byte[] { (byte) 0xe4, (byte) 0xb8, (byte) 0xad };
        String b64encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(input);
        System.out.println(b64encoded);
    }
}

编码后得到5Lit4个字符。要对Base64解码，仍然用Base64这个类：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] output = Base64.getDecoder().decode("5Lit");
        System.out.println(Arrays.toString(output)); // [-28, -72, -83]
    }
}

有的童鞋会问：如果输入的byte[]数组长度不是3的整数倍肿么办？这种情况下，需要对输入的末尾补一个或两个0x00，编码后，在结尾加一个=表示补充了1个0x00，加两个=表示补充了2个0x00，解码的时候，去掉末尾补充的一个或两个0x00即可。

实际上，因为编码后的长度加上=总是4的倍数，所以即使不加=也可以计算出原始输入的byte[]。Base64编码的时候可以用withoutPadding()去掉=，解码出来的结果是一样的：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] input = new byte[] { (byte) 0xe4, (byte) 0xb8, (byte) 0xad, 0x21 };
        String b64encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(input);
        String b64encoded2 = Base64.getEncoder().withoutPadding().encodeToString(input);
        System.out.println(b64encoded);
        System.out.println(b64encoded2);
        byte[] output = Base64.getDecoder().decode(b64encoded2);
        System.out.println(Arrays.toString(output));
    }
}

因为标准的Base64编码会出现+、/和=，所以不适合把Base64编码后的字符串放到URL中。一种针对URL的Base64编码可以在URL中使用的Base64编码，它仅仅是把+变成-，/变成_：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] input = new byte[] { 0x01, 0x02, 0x7f, 0x00 };
        String b64encoded = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(input);
        System.out.println(b64encoded);
        byte[] output = Base64.getUrlDecoder().decode(b64encoded);
        System.out.println(Arrays.toString(output));
    }
}

Base64编码的目的是把二进制数据变成文本格式，这样在很多文本中就可以处理二进制数据。例如，电子邮件协议就是文本协议，如果要在电子邮件中添加一个二进制文件，就可以用Base64编码，然后以文本的形式传送。

Base64编码的缺点是传输效率会降低，因为它把原始数据的长度增加了1/3。

和URL编码一样，Base64编码是一种编码算法，不是加密算法。

如果把Base64的64个字符编码表换成32个、48个或者58个，就可以使用Base32编码，Base48编码和Base58编码。字符越少，编码的效率就会越低。

小结

URL编码和Base64编码都是编码算法，它们不是加密算法；

URL编码的目的是把任意文本数据编码为%前缀表示的文本，便于浏览器和服务器处理；

Base64编码的目的是把任意二进制数据编码为文本，但编码后数据量会增加1/3。