Base64 編碼原理與 C# 完整實作 (編碼/解碼)

編碼規則

1. 將輸入資料以 3 位元組 (24 bits) 為一組。
2. 將 24 bits 切成 4 組，每組 6 bits。
3. 每組 6 bits 高位補兩個 0 湊成 1 個位元組 (8 bits)。
4. 依 Base64 字元表 (A-Z, a-z, 0-9, +, /) 查詢對應字元。
5. 不足 3 位元組時，以 0 位元組補齊，輸出字元以 = 補齊 (1 或 2 個)。

範例： "ABC" 編碼過程

ASCII:  A(65)  B(66)  C(67)
二進位: 01000001 01000010 01000011
合併:   010000010100001001000011
切6bits: 010000 010100 001001 000011
補0:    00010000 00010100 00001001 00000011
十進位: 16      20      19      3
Base64: Q       U       J       D
結果:   "QUJD"

C# 完整實作

編碼方法

public static string Base64Encode(string message)
{
    char[] base64Chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/=".ToCharArray();
    byte[] bytes = Encoding.Default.GetBytes(message);
    int len = bytes.Length;
    int groups = (len + 2) / 3; // 向上取整
    StringBuilder sb = new StringBuilder(groups * 4);

    for (int i = 0; i < groups; i++)
    {
        byte b1 = i * 3 < len ? bytes[i * 3] : (byte)0;
        byte b2 = i * 3 + 1 < len ? bytes[i * 3 + 1] : (byte)0;
        byte b3 = i * 3 + 2 < len ? bytes[i * 3 + 2] : (byte)0;

        int[] idx = new int[4];
        idx[0] = b1 >> 2;
        idx[1] = ((b1 & 0x03) << 4) | (b2 >> 4);
        idx[2] = (i * 3 + 1 < len) ? ((b2 & 0x0F) << 2) | (b3 >> 6) : 64;
        idx[3] = (i * 3 + 2 < len) ? (b3 & 0x3F) : 64;

        sb.Append(base64Chars[idx[0]]);
        sb.Append(base64Chars[idx[1]]);
        sb.Append(base64Chars[idx[2]]);
        sb.Append(base64Chars[idx[3]]);
    }
    return sb.ToString();
}

解碼方法

public static string Base64Decode(string message)
{
    if (message.Length % 4 != 0)
        throw new ArgumentException("無效的 Base64 字串長度");

    string base64Chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/=";
    int groups = message.Length / 4;
    List output = new List(groups * 3);

    for (int i = 0; i < groups; i++)
    {
        int i1 = base64Chars.IndexOf(message[i * 4]);
        int i2 = base64Chars.IndexOf(message[i * 4 + 1]);
        int i3 = base64Chars.IndexOf(message[i * 4 + 2]);
        int i4 = base64Chars.IndexOf(message[i * 4 + 3]);

        if (i1 < 0 || i2 < 0 || i3 < 0 || i4 < 0)
            throw new ArgumentException("包含非 Base64 字元");

        byte b1 = (byte)((i1 << 2) | (i2 >> 4));
        output.Add(b1);

        if (i3 != 64)
        {
            byte b2 = (byte)((i2 << 4) | (i3 >> 2));
            output.Add(b2);
        }
        if (i4 != 64)
        {
            byte b3 = (byte)((i3 << 6) | i4);
            output.Add(b3);
        }
    }
    return Encoding.Default.GetString(output.ToArray());
}

實務建議

• 實際專案請直接使用 Convert.ToBase64String(byte[]) 與 Convert.FromBase64String(string)，經過最佳化且符合 RFC 4648 標準。
• 本文實作僅供教學理解演算法細節。
• 檔案加密/解密流程：讀檔 → 位元組陣列 → Base64 編碼 → 寫檔；解碼反之。