Base64 编码和解码：开发者完整指南

Base64 编码是软件开发中最广泛使用的数据编码方案之一。从在 HTML 和 CSS 中嵌入图片到通过 HTTP 和 SMTP 等文本协议传输二进制数据，Base64 无处不在。本指南从位级别解释其工作原理，涵盖所有主要用例，提供 JavaScript、Python 和命令行代码示例。

使用我们的免费在线工具即时编码和解码 Base64。

什么是 Base64 编码？

Base64 是一种二进制转文本的编码方案，使用 64 个可打印 ASCII 字符表示二进制数据。它设计用于通过仅支持文本的系统安全传输二进制数据。

"Base64" 名称来自使用 64 个字符的字母表：A-Z（26）、a-z（26）、0-9（10）、+（1）和 /（1）。= 用于填充。每 3 字节输入产生 4 个 Base64 字符，编码后数据约增大 33%。

Base64 不是加密。它不提供任何安全性。任何人都可以解码。其目的纯粹是编码：将二进制数据转换为文本安全格式。

The Base64 Alphabet (RFC 4648):
Index  Char    Index  Char    Index  Char    Index  Char
─────────────────────────────────────────────────────────
  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    /

Padding character: =

Base64 工作原理：逐步解析

Base64 编码将每组 3 个输入字节（24 位）转换为 4 个输出字符（每个 6 位）：

取 3 字节输入数据（共 24 位）。
将 24 位分为四个 6 位组。
将每个 6 位值（0-63）映射到 Base64 字母表中的字符。
如果输入长度不是 3 的倍数，添加填充（=）。

以编码字符串 "Hi!" 为例：

Encoding "Hi!" step by step:

Step 1: Convert ASCII to binary
  'H' = 72  = 01001000
  'i' = 105 = 01101001
  '!' = 33  = 00100001

Step 2: Concatenate all bits
  01001000 01101001 00100001  (24 bits total)

Step 3: Split into 6-bit groups
  010010 | 000110 | 100100 | 100001
    18       6       36       33

Step 4: Map to Base64 alphabet
  18 → S
   6 → G
  36 → k
  33 → h

Result: "Hi!" → "SGkh"

─────────────────────────────────────────

Encoding "Hi" (only 2 bytes - needs padding):

  'H' = 01001000
  'i' = 01101001

  01001000 01101001 + 0000 (pad to 18 bits)

  010010 | 000110 | 100100
    18       6       36

  18 → S,  6 → G,  36 → k,  padding → =

Result: "Hi" → "SGk="

Base64 的常见用例

Base64 编码出现在 Web 开发和软件工程的许多领域：

1. Data URI（在 HTML/CSS 中嵌入图片）

Data URI 允许直接在 HTML 或 CSS 中嵌入小文件，消除 HTTP 请求。适合小图标和 SVG：

<!-- Embedding a small PNG icon as a data URI -->
<img src="data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAAB
CAQAAAC1HAwCAAAAC0lEQVR42mNk+A8AAQUBAScY42YAAAAASUVORK5CYII="
     alt="1x1 pixel" width="16" height="16" />

<!-- SVG data URI in CSS -->
<style>
.icon-arrow {
  background-image: url('data:image/svg+xml;base64,PHN2ZyB4bWxucz
0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciIHdpZHRoPSIyNCIgaGVpZ2
h0PSIyNCI+PHBhdGggZD0iTTEyIDRsLTEuNDEgMS40MUwxNi4xNyAxMUg0dj
JoMTIuMTdsLTUuNTggNS41OUwxMiAyMGw4LTh6Ii8+PC9zdmc+');
  width: 24px;
  height: 24px;
}
</style>

<!-- Inline font as data URI (for critical fonts) -->
@font-face {
  font-family: 'CriticalFont';
  src: url('data:font/woff2;base64,d09GMgABAAAAA...') format('woff2');
  font-display: swap;
}

2. JWT 令牌

JWT 使用 Base64URL 编码（URL 安全变体）编码头部和载荷部分：

// JWT token structure: header.payload.signature
// Each part is Base64URL-encoded

const header = {
  alg: "HS256",
  typ: "JWT"
};

const payload = {
  sub: "1234567890",
  name: "Alice",
  iat: 1516239022
};

// Base64URL encode (no padding, URL-safe chars)
function base64url(str) {
  return btoa(str)
    .replace(/\+/g, '-')   // + → -
    .replace(/\//g, '_')   // / → _
    .replace(/=+$/, '');    // remove padding
}

const encodedHeader = base64url(JSON.stringify(header));
// "eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9"

const encodedPayload = base64url(JSON.stringify(payload));
// "eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkFsaWNlIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ"

// Final JWT: header.payload.signature
// eyJhbGci...IkpXVCJ9.eyJzdWIi...MjM5MDIyfQ.signature_here

3. API 认证（HTTP Basic Auth）

HTTP 基本认证将用户名和密码编码为 Authorization 头中的 Base64 字符串：

// HTTP Basic Authentication
const username = 'admin';
const password = 'secret123';

// Encode credentials as Base64
const credentials = btoa(username + ':' + password);
// "YWRtaW46c2VjcmV0MTIz"

// Set the Authorization header
fetch('https://api.example.com/data', {
  headers: {
    'Authorization': 'Basic ' + credentials
    // "Authorization: Basic YWRtaW46c2VjcmV0MTIz"
  }
});

// Equivalent curl command:
// curl -H "Authorization: Basic YWRtaW46c2VjcmV0MTIz" https://api.example.com/data
// or simply:
// curl -u admin:secret123 https://api.example.com/data

5. Kubernetes Secrets

Kubernetes 将秘密值存储为 YAML 清单中的 Base64 编码字符串：

# Kubernetes Secret manifest
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: my-app-secrets
type: Opaque
data:
  # Values must be Base64-encoded
  # echo -n "mypassword" | base64 → bXlwYXNzd29yZA==
  database-password: bXlwYXNzd29yZA==
  # echo -n "sk-abc123xyz" | base64 → c2stYWJjMTIzeHl6
  api-key: c2stYWJjMTIzeHl6

---
# Using stringData (Kubernetes encodes automatically)
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: my-app-secrets-v2
type: Opaque
stringData:
  # Plain text - Kubernetes handles Base64 encoding
  database-password: mypassword
  api-key: sk-abc123xyz

6. 在 JSON 中存储二进制数据

JSON 原生不支持二进制数据。Base64 编码是在 JSON 载荷中包含二进制数据的标准方式：

{
  "document": {
    "name": "report.pdf",
    "content_type": "application/pdf",
    "data": "JVBERi0xLjQKJeLjz9MKMSAwIG9iago8PC9UeXBlL..."
  },
  "avatar": {
    "format": "png",
    "width": 128,
    "height": 128,
    "data": "iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAIAAAACA..."
  }
}

JavaScript 中的 Base64

JavaScript 在浏览器和 Node.js 环境中提供内置的 Base64 编码和解码函数：

// ========== Browser: btoa() and atob() ==========

// Encode ASCII string to Base64
const encoded = btoa('Hello, World!');
console.log(encoded);  // "SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=="

// Decode Base64 to ASCII string
const decoded = atob('SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==');
console.log(decoded);  // "Hello, World!"

// ========== Unicode strings (browser) ==========

// btoa() fails with non-ASCII characters
// btoa('Hello ') → Error!

// Solution: encode to UTF-8 first
function utf8ToBase64(str) {
  return btoa(
    encodeURIComponent(str).replace(/%([0-9A-F]{2})/g,
      (_, p1) => String.fromCharCode(parseInt(p1, 16))
    )
  );
}

function base64ToUtf8(b64) {
  return decodeURIComponent(
    atob(b64).split('').map(c =>
      '%' + ('00' + c.charCodeAt(0).toString(16)).slice(-2)
    ).join('')
  );
}

// Modern approach (using TextEncoder/TextDecoder)
function encodeBase64(str) {
  const bytes = new TextEncoder().encode(str);
  const binString = Array.from(bytes, b => String.fromCodePoint(b)).join('');
  return btoa(binString);
}

function decodeBase64(b64) {
  const binString = atob(b64);
  const bytes = Uint8Array.from(binString, c => c.codePointAt(0));
  return new TextDecoder().decode(bytes);
}

// ========== Node.js: Buffer ==========

// Encode string to Base64
const base64 = Buffer.from('Hello, World!').toString('base64');
console.log(base64);  // "SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=="

// Decode Base64 to string
const text = Buffer.from('SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==', 'base64').toString('utf-8');
console.log(text);  // "Hello, World!"

// Encode binary data (file) to Base64
const fs = require('fs');
const imageBase64 = fs.readFileSync('image.png').toString('base64');
const dataUri = 'data:image/png;base64,' + imageBase64;

// URL-safe Base64 in Node.js
const urlSafe = Buffer.from('Hello!').toString('base64url');
console.log(urlSafe);  // "SGVsbG8h" (no padding, URL-safe chars)

注意：btoa() 和 atob() 在浏览器中只处理 ASCII 字符串。Unicode 文本需要先编码为 UTF-8。

Python 中的 Base64

Python 标准库的 base64 模块支持标准 Base64、URL 安全 Base64 和 Base32/Base16 编码：

import base64

# ========== Standard Base64 ==========

# Encode string to Base64
text = "Hello, World!"
encoded = base64.b64encode(text.encode('utf-8'))
print(encoded)  # b'SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=='
print(encoded.decode('ascii'))  # "SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=="

# Decode Base64 to string
decoded = base64.b64decode('SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==')
print(decoded.decode('utf-8'))  # "Hello, World!"

# ========== URL-Safe Base64 ==========

data = b'\xfb\xff\xfe'  # bytes with +/- in standard Base64
standard = base64.b64encode(data)        # b'+//+'
urlsafe  = base64.urlsafe_b64encode(data)  # b'-__-'

# Decode URL-safe Base64
decoded = base64.urlsafe_b64decode('-__-')

# ========== File encoding ==========

# Encode a file to Base64
with open('image.png', 'rb') as f:
    file_base64 = base64.b64encode(f.read()).decode('ascii')

# Decode Base64 to a file
with open('output.png', 'wb') as f:
    f.write(base64.b64decode(file_base64))

# ========== Working with JSON ==========
import json

payload = {
    "name": "document.pdf",
    "data": base64.b64encode(open('doc.pdf', 'rb').read()).decode('ascii')
}
json_str = json.dumps(payload)

# ========== Base32 and Base16 (Hex) ==========

base32 = base64.b32encode(b'Hello')  # b'JBSWY3DP'
hex_encoded = base64.b16encode(b'Hello')  # b'48656C6C6F'

命令行 Base64

Linux/macOS 和 Windows 都提供内置的 Base64 编码解码工具：

# ========== Linux / macOS ==========

# Encode a string
echo -n "Hello, World!" | base64
# SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==

# Decode a Base64 string
echo "SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==" | base64 --decode
# Hello, World!

# Encode a file
base64 image.png > image.b64
# or
cat image.png | base64 > image.b64

# Decode a file
base64 --decode image.b64 > image_restored.png

# Pipe from curl - encode API response
curl -s https://api.example.com/data | base64

# One-liner: create a data URI from an image
echo "data:image/png;base64,$(base64 < icon.png)" > data-uri.txt

# ========== macOS-specific ==========
# macOS base64 uses -D instead of --decode
echo "SGVsbG8=" | base64 -D

# ========== OpenSSL (cross-platform) ==========
echo -n "Hello" | openssl base64
echo "SGVsbG8=" | openssl base64 -d

# ========== Windows PowerShell ==========
# Encode
[Convert]::ToBase64String([Text.Encoding]::UTF8.GetBytes("Hello"))

# Decode
[Text.Encoding]::UTF8.GetString([Convert]::FromBase64String("SGVsbG8="))

URL 安全的 Base64 编码

标准 Base64 使用在 URL 中有特殊含义的 + 和 / 字符。URL 安全 Base64 替换了这些：

字符	标准 Base64	URL 安全 Base64
第 62 个字符	`+`	`-`（连字符）
第 63 个字符	`/`	`_`（下划线）
填充	`=`	通常省略

URL 安全 Base64 用于 JWT 令牌、URL 参数、文件名安全编码等场景。

// URL-Safe Base64 encoding/decoding

// JavaScript (browser)
function toBase64Url(str) {
  return btoa(str)
    .replace(/\+/g, '-')    // Replace + with -
    .replace(/\//g, '_')    // Replace / with _
    .replace(/=+$/, '');     // Remove padding
}

function fromBase64Url(b64url) {
  // Restore standard Base64
  let b64 = b64url
    .replace(/-/g, '+')     // Restore +
    .replace(/_/g, '/');     // Restore /

  // Add padding if needed
  while (b64.length % 4 !== 0) {
    b64 += '=';
  }

  return atob(b64);
}

// Node.js (built-in support)
const encoded = Buffer.from('Hello!').toString('base64url');
// "SGVsbG8h"

const decoded = Buffer.from('SGVsbG8h', 'base64url').toString();
// "Hello!"

// Python
import base64
encoded = base64.urlsafe_b64encode(b'Hello!').rstrip(b'=')
# b'SGVsbG8h'

decoded = base64.urlsafe_b64decode(b'SGVsbG8h' + b'==')
# b'Hello!'

性能考量

Base64 虽然无处不在，但有性能影响需要注意：

33% 大小开销：每 3 字节变为 4 字符。1MB 图片编码后约 1.37MB。

CPU 成本：编码解码需处理每个字节。批量操作考虑二进制传输。

不利于压缩：Base64 数据压缩效果差。应先压缩后编码。

Data URI 限制：大型 Base64 图片增加页面重量。仅对 5KB 以下图片使用。

大文件替代方案：超过 10KB 的文件使用 multipart form data 或二进制 WebSocket。

Base64 Size Overhead Examples:

Original Size    Base64 Size     Overhead
─────────────────────────────────────────
1 KB             1.37 KB         +37%
10 KB            13.7 KB         +37%
100 KB           137 KB          +37%
1 MB             1.37 MB         +37%
10 MB            13.7 MB         +37%

Note: Actual overhead varies slightly due to
padding and line breaks (MIME uses 76-char lines).

Best practice thresholds:
  < 5 KB   → Data URI (inline) is fine
  5-10 KB  → Consider external file
  > 10 KB  → Always use external file/binary transfer

何时不使用 Base64

Base64 并非总是正确选择。在以下场景中避免使用：

大文件传输：使用 multipart/form-data 或二进制协议
安全/加密：Base64 不是加密，使用 AES、RSA 等算法
HTML 中的大图片：使用带缓存头的普通 img 标签
数据库存储：大多数数据库支持 BLOB 类型
带宽敏感：33% 开销在计量连接上会累积

常见问题

Base64 编码用于什么？

Base64 将二进制数据转换为文本以便安全传输。常见用途包括 Data URI、JWT 令牌、HTTP Basic 认证、邮件附件和 Kubernetes Secrets。

如何在 JavaScript 中 Base64 编码字符串？

浏览器中使用 btoa() 编码，atob() 解码。Unicode 需先 encodeURIComponent。Node.js 使用 Buffer.from(str).toString("base64")。

Base64 编码等同于加密吗？

不是。Base64 是编码方案，不是加密。任何人无需密钥即可解码。安全需求请使用 AES 或 RSA。

为什么 Base64 使数据增大 33%？

Base64 用 4 个字符表示 3 个字节。4/3 = 1.333，输出增大 33%。这是文本安全表示的代价。

Base64 和 Base64URL 有什么区别？

标准 Base64 用 + 和 /，在 URL 中有特殊含义。Base64URL 用 - 替换 + ，用 _ 替换 /，通常省略填充。JWT 和 URL 参数使用 Base64URL。

Base64 编码是每个开发者工具箱中的基础工具。它连接了二进制数据和文本系统，实现了 Data URI、JWT、API 认证等功能。理解位级工作原理、URL 安全变体和 33% 大小开销将帮助您有效使用 Base64。

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