内容简介:之所以取这个题目,是因为在面试的过程中,许多求职者对问题“请列举常用的加密算法”给出了比较普遍的回答:“用过在计算机领域,数据存储单位叫字节——byte,最小的存储单元的容量是1位-1bit。一个bit有两个状态 0 和 1。1byte = 8bit。通常,一个英文字母占1字节,汉字采用GBK编码时,占用2字节。以上介绍,仅局限于计算机可以显示在屏幕上的字符。但是 1byte 通常可表示 256 个不同的数据。二进制表示:00000000-11111111,即 2^8 。根据 ASCII 中显示,可见字符不
之所以取这个题目,是因为在面试的过程中,许多求职者对问题“请列举常用的加密算法”给出了比较普遍的回答:“用过 MD5
和 Base64
”,更有甚者说,“ Base64
是对称加密, MD5
是非对称加密”。那么,通过接下来的三篇文章科普下,在编程过程中常见的三个术语: 字节编码
、 数据摘要
、 报文加密
。
1. 编码介绍
在计算机领域,数据存储单位叫字节——byte,最小的存储单元的容量是1位-1bit。一个bit有两个状态 0 和 1。1byte = 8bit。通常,一个英文字母占1字节,汉字采用GBK编码时,占用2字节。 UTF-8是可变长度编码,一般用 0-4 字节表示。
以上介绍,仅局限于计算机可以显示在屏幕上的字符。但是 1byte 通常可表示 256 个不同的数据。二进制表示:00000000-11111111,即 2^8 。根据 ASCII 中显示,可见字符不足 100 个。若想完整的显示 1byte 表示的全部内容,需要对其进行编码。通常使用16进制的方式,0x00-0xFF。0x31 表示字符 '1' ,0x01 表示字母 1,0x41 表示 'A' ,0x61 表示 'a' 。不再一一列举,有兴趣的小伙伴可以查阅 ASCII 码表。
2. 十六进制编码
2.1 概念
16进制编码,是基于2进制转换的过程。下表列举些常见的数值编码及其意义。
十进制 | 2进制 | 16进制 | 意义 |
---|---|---|---|
0 | 00000000 | 0x00 | null |
1 | 00000001 | 0x01 | 1 |
49 | 00110001 | 0x31 | '1' |
65 | 01000001 | 0x41 | 'A' |
97 | 01100001 | 0x61 | 'a' |
此处,需要引入一个概念——基数。2 进制基数:0、1。10进制基数:0-9。16进制基数0-9,A-F。 通过观察表示一串内容的基数,可以快速判断它使用的编码方式哦!
下表表示16进制基数与10进制、2进制的关系。均用 1byte 表示。
16进制 | 10进制 | 2进制 |
---|---|---|
0x00 | 0 | 00000000 |
0x01 | 1 | 00000001 |
0x02 | 2 | 00000010 |
0x03 | 3 | 00000011 |
0x04 | 4 | 00000100 |
0x05 | 5 | 00000101 |
0x06 | 6 | 00000110 |
0x07 | 7 | 00000111 |
0x08 | 8 | 00001000 |
0x09 | 9 | 00001001 |
0x0A | 10 | 00001010 |
0x0B | 11 | 00001011 |
0x0C | 12 | 00001100 |
0x0D | 13 | 00001101 |
0x0E | 14 | 00001110 |
0x0F | 15 | 00001111 |
不难发现,16进制用 4bit 表示一个基数(16 = 2^4)。
2.2 换算
将数字 100 转成 16进制表示:
计算方式比较简单,对 100 用 16 进行取整取余。发现 100 = 6 * 16 + 4。即,100 = 0x64。再转成2进制,分别对 6 和 4 转成 4bit 0和1 表示。0110 0100。
所以 100 = 0x64 = 01100100
2.3 代码实现
根据上一节的换算规则:
- 将字节数组转16进制字符串,需要对每个字节进行独立运算。分别取高四位和第四位,然后转成两个10进制数作为基数索引,最后组合成16进制表示。
- 将16进制字符串转成字节数组,需要每两个16进制基数一组。分别找出其表示的10进制数,然后做高四位和第四位相加。
/** * 16 进制基数 */ static char[] hex = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F'}; /** * 编码:字节数组转 16 进制字符串 * * @param data * @return */ public static final String encode(byte[] data) { if (data == null) return null; StringBuffer hexSrtBuff = new StringBuffer(); for (byte b : data) { int height = b >> 4 & 0x0f; // 取高四位 int low = b & 0x0f;// 取低四位 hexSrtBuff.append(hex[height]); hexSrtBuff.append(hex[low]); } return hexSrtBuff.toString(); } /** * 解码:16 进制字符串转字节数组 * * @param hexStr * @return */ public static final byte[] decode(String hexStr) { if (hexStr == null) return null; if (hexStr.length() % 2 != 0) { // 不合法的十六进制字符串参数 throw new IllegalArgumentException("The hex string was illegal"); } byte[] data = new byte[hexStr.length() / 2]; for (int i = 0; i < hexStr.length(); i += 2) { char h = hexStr.charAt(i); char l = hexStr.charAt(i + 1); int height = (h >= hex[10] && h <= hex[15]) ? (h - hex[10] + 10) : (h - hex[0]); int low = (l >= hex[10] && l <= hex[15]) ? (l - hex[10] + 10) : (l - hex[0]); data[i / 2] = (byte) ((height << 4) + (low & 0x0f)); } return data; } 复制代码
3. Base64 编码
上一节介绍了16进制的编码规则和代码实现。不难发现,做一次16进制编码时候,所需的存储空间翻一倍。这虽然方便计算机显示,可以用于网络通信,但耗费的存储空间和传输效率都将减半。因此,base64编码诞生。(楼主瞎编,base64编码是否因此诞生,没做考究)。
3.1 概念
base64 一共有 64 个基数。每个基数占 6bit(64 = 2^6)。
索引 | 基数 | 索引 | 基数 | 索引 | 基数 | 索引 | 基数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | A | 16 | Q | 32 | g | 48 | w |
1 | B | 17 | R | 33 | h | 49 | x |
2 | C | 18 | S | 34 | i | 50 | y |
3 | D | 19 | T | 35 | j | 51 | z |
4 | E | 20 | U | 36 | k | 52 | 0 |
5 | F | 21 | V | 37 | l | 53 | 1 |
6 | G | 22 | W | 38 | m | 54 | 2 |
7 | H | 23 | X | 39 | n | 55 | 3 |
8 | I | 24 | Y | 40 | o | 56 | 4 |
9 | J | 25 | Z | 41 | p | 57 | 5 |
10 | K | 26 | a | 42 | q | 58 | 6 |
11 | L | 27 | b | 43 | r | 59 | 7 |
12 | M | 28 | c | 44 | s | 60 | 8 |
13 | N | 29 | d | 45 | t | 61 | 9 |
14 | O | 30 | e | 46 | u | 62 | + |
15 | P | 31 | f | 47 | v | 63 | / |
3.2 换算
根据上表的索引关系,试换算几个案例。
-
字符 1
10进制表示 49 。
16进制表示 0x31。
2进制表示 00110001。
一共8位 ,不能被6位整除,因此不足位补 0。
补充后12位 001100 010000。
对应 base64 索引 12 16。
base64 MQ==
对补位的00,需要用 = 标记。
-
字符串 1A
10进制表示 49 65。
16进制表示 0x31 0x41。
2进制表示 00110001 01000001。
一共16位,不能被6位整除,因此不足位补 0。
补充后18位 001100 010100 000100。
对应 base64 索引 12 20 4。
base64 MUE=
-
字符串 1Aa
10进制表示 49 65 97。
16进制表示 0x31 0x41 0x61。
2进制表示 00110001 01000001 01100001。
一共24位,可以被6位整除,因此不需补位。
划分后24位 001100 010100 000101 100001。
对应 base64 索引 12 20 5 33。
base64 MUFh
根据上面的换算得出,base64 编码后的字符串长度一定是4的整数倍。也许1 2 字节的数据使用 base64 编码后并不能体现出它的优势。但是对100字节的数据编码:
-
16进制编码
编码后长度:100 * 2 = 200。
-
base64 编码
编码后长度 ⌈100 / 3⌉ * 4 = 34 *4 = 136。
3.3 代码实现
考虑到补位场景,因此实现较为复杂。可供编程语言入门时,练手使用。
/** * base 64 基数:26个大写字母、26个小写字母、10个阿拉伯数字、'+、'/' */ static char[] base64 = { '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' , '+', '/' }; /** * 编码:字节数组转 base64 * <p> * 字符 '1' 二进制:00110001 转base64后 001100 010000 补充 两个等号 * * @param data * @return */ public static final String encode(byte[] data) { if (data == null) return null; StringBuffer base64StrBuff = new StringBuffer(); int leftBit = 0; //保存剩余字节 int index = 0; int num; for (index = 0; index < data.length; index++) { switch (index % 3) { case 0: num = data[index] >> 2 & 0x3f; // 取前六位 leftBit = data[index] & 0x03; // 保留后两位 base64StrBuff.append(base64[num]); break; case 1: num = (leftBit << 4 & 0x30) + (data[index] >> 4 & 0x0f); // 取前4位 与之前的后两位相加 leftBit = data[index] & 0x0f; // 保留后四位 base64StrBuff.append(base64[num]); break; case 2: num = (leftBit << 2 & 0x3c) + (data[index] >> 6 & 0x03); // 取前两位 与之前的后四位相加 leftBit = data[index] & 0x3f;// 保留后六位 base64StrBuff.append(base64[num]); base64StrBuff.append(base64[leftBit]); leftBit = 0; break; } } /** * 对剩余位做补位处理,并用等号标记 */ switch (index % 3) { case 0: break; case 1: base64StrBuff.append(base64[leftBit << 4 & 0x30]); base64StrBuff.append('='); base64StrBuff.append('='); break; case 2: base64StrBuff.append(base64[leftBit << 2 & 0x3c]); base64StrBuff.append('='); break; } return base64StrBuff.toString(); } /** * 解码: base64 转字节数组 * * @param base64Str * @return */ public static final byte[] decode(String base64Str) { if (base64Str == null) return null; if (base64Str.length() % 4 != 0) throw new IllegalArgumentException("thr base64 string was illegal"); // 检查末尾等号的个数, int equalSignCount = 0; for (int i = base64Str.length() - 1; i > 0; i--) { if (base64Str.charAt(i) != '=') { break; } equalSignCount++; } // 转成字节数组的长度 int bytesLen = base64Str.length() / 4 * 3 - equalSignCount; byte[] data = new byte[bytesLen]; int index = 0; for (int i = 0; i < base64Str.length(); i += 4) { // 四个字节一组处理,转成三个字节 int one = getCharIndex(base64Str.charAt(i)); int two = getCharIndex(base64Str.charAt(i + 1)); int three = getCharIndex(base64Str.charAt(i + 2)); int four = getCharIndex(base64Str.charAt(i + 3)); if (one < 0) break; int first = one << 2 & 0xfc; if (two < 0) break; first += (two >> 4 & 0x03); data[index++] = (byte) first; if (three < 0) break; int second = (two << 4 & 0xf0); second += (three >> 2 & 0x0f); data[index++] = (byte) second; if (four < 0) break; int third = (three << 6 & 0xc0); third += four; data[index++] = (byte) third; } return data; } /** * 寻找字符在字符串中的索引 * * @param c * @return */ private static int getCharIndex(char c) { if (c >= 'A' && c <= 'Z') return c - 'A'; else if (c >= 'a' && c <= 'z') return c - 'a' + 26; else if (c >= '0' && c <= '9') return c - '0' + 52; else if (c == '+') return 62; else if (c == '/') return 63; else return -1; } 复制代码
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