Python 内置模块 base64：编码与解码的艺术

锺冰洁 · 2025-8-11 14:17:29

在现代软件开发中，数据传输和存储无处不在。然而，并非所有系统都能安全地处理任意的二进制数据。文本协议（如电子邮件、JSON、XML）或某些网络传输层可能只支持特定的字符集。这时，就需要一种机制将二进制数据转换为纯文本格式，同时保证数据在传输后可以被完整还原。Python 的内置模块 base64 正是为此而生。
base64 模块提供了在二进制数据和 ASCII 文本之间进行编码和解码的功能。它广泛应用于数据嵌入（如将图片嵌入 HTML）、安全传输（如 HTTP Basic Auth）、以及配置文件中存储二进制信息等场景。
本文将带你深入理解 base64 模块，掌握其核心函数的使用方法，并了解其工作原理和实际应用。
参考文章：Python 内置模块 base64 | 简单一点学习 easyeasy.me
一、什么是 Base64 编码？

Base64 是一种编码（Encoding）方案，而不是加密（Encryption）。它的主要目的是将任意的二进制数据（如图片、音频、可执行文件）转换成由 64 个可打印 ASCII 字符组成的字符串。这 64 个字符包括：

大写字母 A-Z (26 个)
小写字母 a-z (26 个)
数字 0-9 (10 个)
加号 + 和斜杠 / (2 个)

此外，= 字符用作填充符，确保编码后的字符串长度是 4 的倍数。
核心原理：

将输入的二进制数据按每 3 个字节（24 位）分组。
将这 24 位数据重新划分为 4 个 6 位的组。
每个 6 位组的值（范围 0-63）对应 Base64 字符表中的一个字符。
如果输入数据的字节数不是 3 的倍数，则使用 = 进行填充。

重要提示：Base64 编码会增加数据量。编码后的数据大小约为原始数据的 4/3 倍（增加了约 33%）。

二、核心函数详解

base64 模块提供了多个函数用于编码和解码。最常用的是针对标准 Base64 的函数。
1. 编码函数

base64.b64encode(s, altchars=None):
- s: 要编码的字节串（bytes）。
- altchars: 可选参数，用于指定替代字符（主要用于 URL 安全的 Base64）。标准编码中通常不需要。
- 返回值: 一个表示编码后数据的字节串（bytes）。
base64.b64decode(s, altchars=None, validate=False):
- s: 要解码的字节串或字符串（包含 Base64 编码的数据）。
- altchars: 用于替代字符的解码。
- validate: 如果为 True，函数会严格检查输入是否只包含有效的 Base64 字符（A-Z, a-z, 0-9, +, /, =, 换行符），否则会抛出 ValueError。默认为 False，允许忽略非 Base64 字符（如空格、换行符）。
- 返回值: 一个表示解码后原始数据的字节串（bytes）。

2. URL 和文件名安全的变体

标准 Base64 使用的 + 和 / 在 URL 或文件名中可能需要转义。为此，Base64 提供了 URL 安全的变体：

base64.urlsafe_b64encode(s):
- 与 b64encode 类似，但将 + 替换为 -，/ 替换为 _。
base64.urlsafe_b64decode(s, validate=False):
- 解码 URL 安全的 Base64 字符串。

三、实战应用：代码示例

让我们通过具体的代码示例来掌握 base64 模块的使用。
示例 1：基本编码与解码

import base64
# 原始文本数据
original_text = "Hello, 世界! This is a test."
print(f"原始文本: {original_text}")
# 1. 将字符串编码为字节串 (UTF-8)
text_bytes = original_text.encode('utf-8')
print(f"UTF-8 字节串: {text_bytes}")
# 2. 使用 base64 编码字节串
encoded_bytes = base64.b64encode(text_bytes)
print(f"Base64 编码 (字节串): {encoded_bytes}")
# 3. 将编码后的字节串转换为字符串以便显示和传输
encoded_str = encoded_bytes.decode('ascii') # Base64 编码结果是 ASCII 安全的
print(f"Base64 编码 (字符串): {encoded_str}")
# 4. 解码过程
# 4.1 将 Base64 字符串转换回字节串
decoded_bytes = base64.b64decode(encoded_str)
print(f"解码后的字节串: {decoded_bytes}")
# 4.2 将字节串解码回原始文本
decoded_text = decoded_bytes.decode('utf-8')
print(f"解码后的文本: {decoded_text}")
# 验证
assert original_text == decoded_text
print("✅ 编码和解码成功，数据一致！")

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输出：

原始文本: Hello, 世界! This is a test.
UTF-8 字节串: b'Hello, \xe4\xb8\x96\xe7\x95\x8c! This is a test.'
Base64 编码 (字节串): b'SGVsbG8sIOS4lueVjCEgVGhpcyBpcyBhIHRlc3Qu'
Base64 编码 (字符串): SGVsbG8sIOS4lueVjCEgVGhpcyBpcyBhIHRlc3Qu
解码后的字节串: b'Hello, \xe4\xb8\x96\xe7\x95\x8c! This is a test.'
解码后的文本: Hello, 世界! This is a test.
✅ 编码和解码成功，数据一致！

复制代码

示例 2：处理二进制文件（图片）

import base64
def image_to_base64(image_path):
"""将图片文件转换为 Base64 编码的字符串"""
try:
with open(image_path, "rb") as image_file:
# 读取图片的二进制数据
binary_data = image_file.read()
# 编码为 Base64 字节串，再转为字符串
base64_encoded = base64.b64encode(binary_data).decode('ascii')
return base64_encoded
except FileNotFoundError:
print(f"错误：找不到文件 {image_path}")
return None
except Exception as e:
print(f"读取文件时发生错误: {e}")
return None
def base64_to_image(base64_string, output_path):
"""将 Base64 字符串解码并保存为图片文件"""
try:
# 将 Base64 字符串解码为字节串
binary_data = base64.b64decode(base64_string)
# 将字节串写入文件
with open(output_path, "wb") as output_file:
output_file.write(binary_data)
print(f"图片已成功保存为 {output_path}")
except Exception as e:
print(f"保存文件时发生错误: {e}")
# --- 使用示例 ---
# 假设当前目录下有一张名为 'example.jpg' 的图片
# image_path = "example.jpg"
# output_path = "decoded_example.jpg"
# # 编码图片
# base64_str = image_to_base64(image_path)
# if base64_str:
# print(f"图片已编码为 Base64 字符串 (长度: {len(base64_str)} 字符)")
# # 你可以将 base64_str 存储到数据库或嵌入到 HTML/CSS 中
# # 例如：data:image/jpeg;base64,{base64_str}
# # 解码并保存图片
# base64_to_image(base64_str, output_path)

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示例 3：URL 安全的 Base64

import base64
# 原始数据
data = b"Sensitive data with + and / characters"
# 标准 Base64 编码
standard_b64 = base64.b64encode(data).decode('ascii')
print(f"标准 Base64: {standard_b64}") # 可能包含 + 和 /
# URL 安全 Base64 编码
urlsafe_b64 = base64.urlsafe_b64encode(data).decode('ascii')
print(f"URL 安全 Base64: {urlsafe_b64}") # 使用 - 和 _
# 解码 URL 安全的字符串
decoded_data = base64.urlsafe_b64decode(urlsafe_b64)
print(f"解码后数据: {decoded_data}")
assert data == decoded_data
print("✅ URL 安全编码解码成功！")

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示例 4：在 HTML 中嵌入图片

# 假设你已经通过 image_to_base64 函数得到了 base64_str
# base64_str = image_to_base64("logo.png")
# 构建 Data URL
# data_url = f"data:image/png;base64,{base64_str}"
# 你可以在 HTML 中直接使用
html_snippet = f"""
<img src="https://www.cnblogs.com/data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABCAYAAAAfFcSJAAAADUlEQVR42mP8/5+hHgAHggJ/PchI7wAAAABJRU5ErkJggg==" alt="Embedded Image">
"""
# 注意：上面的 data URL 是一个极小的 PNG 图片的 Base64 编码示例。

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四、重要注意事项

数据类型: b64encode 的输入必须是 bytes 类型。字符串需要先用 .encode() 方法（通常是 'utf-8'）转换为字节串。b64decode 的输出是 bytes，通常需要用 .decode() 方法转换回字符串。
性能: Base64 编码/解码会增加 CPU 开销和数据大小。对于大量数据，应考虑是否真的需要 Base64。
安全性: Base64 不是加密！任何人都可以轻松地解码 Base64 数据。它只用于编码，不提供任何保密性。如果需要保密，请使用真正的加密算法（如 AES）。
填充: 标准 Base64 编码结果通常以 = 结尾（填充符）。在某些场景（如 JWT），可能会省略填充。解码时，base64 模块通常能处理省略填充的情况，但明确处理更好。
错误处理: 解码无效的 Base64 字符串会抛出 binascii.Error。使用 validate=True 可以进行更严格的输入检查。

五、总结

base64 模块是 Python 标准库中一个简单而强大的工具，它解决了二进制数据在文本环境中的传输和存储难题。通过 b64encode 和 b64decode 这两个核心函数，我们可以轻松地在二进制数据和 ASCII 文本之间转换。
关键要点回顾：

Base64 是一种编码，不是加密。
编码增加约 33% 的数据量。
输入 b64encode 必须是 bytes。
输出 b64decode 是 bytes。
使用 urlsafe_b64encode/decode 处理 URL 和文件名。
广泛应用于数据嵌入、配置文件、API 认证等领域。

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