MD5算法的C++实现
2013-05-06 22:19
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原文：http://www.cnblogs.com/flying_bat/archive/2007/09/25/905133.html
1. Introduction
MD5算法是一种消息摘要算法(Message Digest Algorithm)，此算法以任意长度的信息(message)作为输入进行计算，产生一个128-bit(16-byte)的指纹或报文摘要(fingerprint or message digest)。两个不同的message产生相同message digest的几率相当小，从一个给定的message
digest逆向产生原始message更是困难(不过据说我国的某个教授很善于从message digest构造message)，因此MD5算法适合用在数字签名应用中。MD5实现简单，在32位的机器上运行速度也相当快，当然实际应用也不仅仅局限于数字签名。
2. MD5 Algorithm Description
假设输入信息(input message)的长度为b(bit)，我们想要产生它的报文摘要，在此处b为任意的非负整数：b也可能为0，也不一定为8的整数倍，且可能是任意大的长度。设该信息的比特流表示如下：
M[0] M[1] M[2] ... M[b-1]
计算此信息的报文摘要需要如下5步：
2.1 Append Padding Bits
信息计算前先要进行位补位，设补位后信息的长度为LEN(bit)，则LEN%512 = 448(bit)，即数据扩展至
K*512+448(bit)。即K*64+56(byte)，K为整数。补位操作始终要执行，即使补位前信息的长度对512求余的结果是448。具体补位操作：补一个1，然后补0至满足上述要求。总共最少要补1bit，最多补512bit。
2.2 Append Length
将输入信息的原始长度b(bit)表示成一个64-bit的数字，把它添加到上一步的结果后面(在32位的机器上，这64位将用2个字来表示并且低位在前)。当遇到b大于2^64这种极少的情况时，b的高位被截去，仅使用b的低64位。经过上面两步，数据就被填补成长度为512(bit)的倍数。也就是说，此时的数据长度是16个字(32bit)的整数倍。此时的数据表示为：
M[0 ... N-1]
其中的N是16的倍数。
2.3 Initialize MD Buffer
用一个四个字的缓冲器(A，B，C，D)来计算报文摘要，A,B,C,D分别是32位的寄存器，初始化使用的是十六进制表示的数字，注意低字节在前：
word A: 01 23 45 67
word B: 89 ab cd ef
word C: fe dc ba 98
word D: 76 54 32 10
2.4 Process Message in 16-Word Blocks
首先定义4个辅助函数，每个函数的输入是三个32位的字，输出是一个32位的字：
F(X,Y,Z) = XY v not(X) Z
G(X,Y,Z) = XZ v Y not(Z)
H(X,Y,Z) = X xor Y xor Z
I(X,Y,Z) = Y xor (X v not(Z))
NOTE：not(X)代表X的按位补运算，X v Y 表示X和Y的按位或运算，X xor Y代表X和Y的按位异或运算，XY代表X和Y的按位与运算。
具体过程如下：
1
/* Process each 16-word block. */
2
For i =
0 to N/16-1
do
3
4
/* Copy block i into X.
*/
5
For j =
0 to
15 do
6
Set X[j] to M[i*16+j].
7 end
/* of loop on j
*/
8
9
/* Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD.
*/
10
AA = A
11 BB
= B
12 CC
= C
13 DD
= D
14
15
/* Round 1.
*/
16
/* Let [abcd k s i] denote the operation
17 a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
18
/* Do the following 16 operations.
*/
19
[ABCD 0
7 1] [DABC
1 12
2] [CDAB
2 17
3] [BCDA
3 22
4]
20 [ABCD
4 7
5] [DABC
5 12
6] [CDAB
6 17
7] [BCDA
7 22
8]
21 [ABCD
8 7
9] [DABC
9 12
10] [CDAB
10 17
11] [BCDA
11 22
12]
22 [ABCD
12
7 13] [DABC
13 12
14] [CDAB
14 17
15] [BCDA
15 22
16]
23
24
/* Round 2.
*/
25
/* Let [abcd k s i] denote the operation
26 a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
27
/* Do the following 16 operations.
*/
28
[ABCD 1
5 17] [DABC
6 9
18] [CDAB
11 14
19] [BCDA
0 20
20]
29 [ABCD
5 5
21] [DABC
10 9
22] [CDAB
15 14
23] [BCDA
4 20
24]
30 [ABCD
9 5
25] [DABC
14 9
26] [CDAB
3 14
27] [BCDA
8 20
28]
31 [ABCD
13
5 29] [DABC
2 9
30] [CDAB
7 14
31] [BCDA
12 20
32]
32
33
/* Round 3.
*/
34
/* Let [abcd k s t] denote the operation
35 a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
36
/* Do the following 16 operations.
*/
37
[ABCD 5
4 33] [DABC
8 11
34] [CDAB
11 16
35] [BCDA
14 23
36]
38 [ABCD
1 4
37] [DABC
4 11
38] [CDAB
7 16
39] [BCDA
10 23
40]
39 [ABCD
13
4 41] [DABC
0 11
42] [CDAB
3 16
43] [BCDA
6 23
44]
40 [ABCD
9 4
45] [DABC
12 11
46] [CDAB
15 16
47] [BCDA
2 23
48]
41
42
/* Round 4.
*/
43
/* Let [abcd k s t] denote the operation
44 a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
45
/* Do the following 16 operations.
*/
46
[ABCD 0
6 49] [DABC
7 10
50] [CDAB
14 15
51] [BCDA
5 21
52]
47 [ABCD
12
6 53] [DABC
3 10
54] [CDAB
10 15
55] [BCDA
1 21
56]
48 [ABCD
8 6
57] [DABC
15 10
58] [CDAB
6 15
59] [BCDA
13 21
60]
49 [ABCD
4 6
61] [DABC
11 10
62] [CDAB
2 15
63] [BCDA
9 21
64]
50
51
/* Then perform the following additions. (That is increment each
52 of the four registers by the value it had before this block
53 was started.)
*/
54
A = A
+ AA
55 B
= B + BB
56 C
= C + CC
57 D
= D + DD
58
59
end /* of loop on i
*/
2.5 Output
报文摘要的产生后的形式为：A，B，C，D。也就是低位字节A开始，高位字节D结束。
3. C++ Implementation
有了上面5个步骤的算法描述，用C++实现起来就很直接了。需要注意的是在具体实现的时候上述5个步骤的顺序会有所变动，因为在大多数情况下我们都无法或很难提前计算出输入信息的长度b(如输入信息来自文件或网络)。因此在具体实现时Append Padding Bits和Append Length这两步会放在最后面。
4. Test Suite
由于实现代码比较长，在这里就不贴出来了，在本文后面会提供下载。MD5类的public接口如下：
md5.h
1
class MD5 {
2 public:
3 MD5();
4 MD5(const
void *input, size_t length);
5 MD5(const string
&str);
6 MD5(ifstream
&in);
7
void update(const
void *input, size_t length);
8
void update(const string
&str);
9
void update(ifstream
&in);
10
const byte* digest();
11 string toString();
12
void reset();
13 ...
14 };
下面简单介绍一下具体用法：
1.计算字符串的MD5值
下面的代码计算字符串"abc"的MD5值并用cout输出：
1
MD5 md5;
2 md5.update("abc");
3 cout
<< md5.toString()
<< endl;
4 //或者更简单点
5
cout << MD5("abc").toString()
<< endl;
2.计算文件的MD5值
下面的代码计算文本文件"D:\test.txt"的MD5值并用cout输出，如果是二进制文件打开的时候记得要指定ios::binary模式。另外需要注意的是用来计算的文件必须存在，所以最好在计算前先判断下ifstream的状态。
(本来判断ifstream是否有效不该是客户的责任，原本想在ifstream无效时用文件名做参数抛出FileNotFoundException之类的异常，后来却发现从ifstream中居然无法得到文件名...)
1
MD5 md5;
2 md5.update(ifstream("D:\\test.txt"));
3 cout
<< md5.toString()
<< endl;
4 //或者更简单点
5
cout << MD5(ifstream("D:\\test.txt")).toString()
<< endl;
3.最基本的用法
上面的用来计算字符串和文件MD5值的接口都是为了方便才提供的，其实最基本的接口是：
void update(const void *input, size_t length);
update的另外两个重载都是基于它来实现的，下面的代码用上述接口来实现FileDigest函数，该函数用来计算文件的MD5值：
1
string FileDigest(const string
&file) {
2
3
ifstream in(file.c_str(), ios::binary);
4
if (!in)
5
return "";
6
7
MD5 md5;
8 std::streamsize length;
9
char buffer[1024];
10
while (!in.eof()) {
11 in.read(buffer,
1024);
12 length
= in.gcount();
13
if (length >
0)
14 md5.update(buffer, length);
15 }
16 in.close();
17
return md5.toString();
18 }
下面看看测试代码：
test.cpp
1
#include "md5.h"
2
#include <iostream>
3
4
using namespace std;
5
6
void PrintMD5(const string
&str, MD5
&md5) {
7 cout
<< "MD5(\"" << str <<
"\") =
" << md5.toString()
<< endl;
8 }
9
10
int main() {
11
12
MD5 md5;
13 md5.update("");
14 PrintMD5("", md5);
15
16
md5.update("a");
17 PrintMD5("a",
md5);
18
19
md5.update("bc");
20 PrintMD5("abc",
md5);
21
22
md5.update("defghijklmnopqrstuvwxyz");
23 PrintMD5("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz",
md5);
24
25
md5.reset();
26 md5.update("message digest");
27 PrintMD5("message digest",
md5);
28
29
md5.reset();
30 md5.update(ifstream("D:\\test.txt"));
31 PrintMD5("D:\\test.txt",
md5);
32
33
return
0;
34 }
测试结果：
MD5("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
MD5("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
MD5("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
MD5("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
MD5("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
MD5("D:\test.txt") = 7ac66c0f148de9519b8bd264312c4d64
源代码下载：点击下载
1. Introduction
MD5算法是一种消息摘要算法(Message Digest Algorithm)，此算法以任意长度的信息(message)作为输入进行计算，产生一个128-bit(16-byte)的指纹或报文摘要(fingerprint or message digest)。两个不同的message产生相同message digest的几率相当小，从一个给定的message
digest逆向产生原始message更是困难(不过据说我国的某个教授很善于从message digest构造message)，因此MD5算法适合用在数字签名应用中。MD5实现简单，在32位的机器上运行速度也相当快，当然实际应用也不仅仅局限于数字签名。
2. MD5 Algorithm Description
假设输入信息(input message)的长度为b(bit)，我们想要产生它的报文摘要，在此处b为任意的非负整数：b也可能为0，也不一定为8的整数倍，且可能是任意大的长度。设该信息的比特流表示如下：
M[0] M[1] M[2] ... M[b-1]
计算此信息的报文摘要需要如下5步：
2.1 Append Padding Bits
信息计算前先要进行位补位，设补位后信息的长度为LEN(bit)，则LEN%512 = 448(bit)，即数据扩展至
K*512+448(bit)。即K*64+56(byte)，K为整数。补位操作始终要执行，即使补位前信息的长度对512求余的结果是448。具体补位操作：补一个1，然后补0至满足上述要求。总共最少要补1bit，最多补512bit。
2.2 Append Length
将输入信息的原始长度b(bit)表示成一个64-bit的数字，把它添加到上一步的结果后面(在32位的机器上，这64位将用2个字来表示并且低位在前)。当遇到b大于2^64这种极少的情况时，b的高位被截去，仅使用b的低64位。经过上面两步，数据就被填补成长度为512(bit)的倍数。也就是说，此时的数据长度是16个字(32bit)的整数倍。此时的数据表示为：
M[0 ... N-1]
其中的N是16的倍数。
2.3 Initialize MD Buffer
用一个四个字的缓冲器(A，B，C，D)来计算报文摘要，A,B,C,D分别是32位的寄存器，初始化使用的是十六进制表示的数字，注意低字节在前：
word A: 01 23 45 67
word B: 89 ab cd ef
word C: fe dc ba 98
word D: 76 54 32 10
2.4 Process Message in 16-Word Blocks
首先定义4个辅助函数，每个函数的输入是三个32位的字，输出是一个32位的字：
F(X,Y,Z) = XY v not(X) Z
G(X,Y,Z) = XZ v Y not(Z)
H(X,Y,Z) = X xor Y xor Z
I(X,Y,Z) = Y xor (X v not(Z))
NOTE：not(X)代表X的按位补运算，X v Y 表示X和Y的按位或运算，X xor Y代表X和Y的按位异或运算，XY代表X和Y的按位与运算。
具体过程如下：
1
/* Process each 16-word block. */
2
For i =
0 to N/16-1
do
3
4
/* Copy block i into X.
*/
5
For j =
0 to
15 do
6
Set X[j] to M[i*16+j].
7 end
/* of loop on j
*/
8
9
/* Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD.
*/
10
AA = A
11 BB
= B
12 CC
= C
13 DD
= D
14
15
/* Round 1.
*/
16
/* Let [abcd k s i] denote the operation
17 a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
18
/* Do the following 16 operations.
*/
19
[ABCD 0
7 1] [DABC
1 12
2] [CDAB
2 17
3] [BCDA
3 22
4]
20 [ABCD
4 7
5] [DABC
5 12
6] [CDAB
6 17
7] [BCDA
7 22
8]
21 [ABCD
8 7
9] [DABC
9 12
10] [CDAB
10 17
11] [BCDA
11 22
12]
22 [ABCD
12
7 13] [DABC
13 12
14] [CDAB
14 17
15] [BCDA
15 22
16]
23
24
/* Round 2.
*/
25
/* Let [abcd k s i] denote the operation
26 a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
27
/* Do the following 16 operations.
*/
28
[ABCD 1
5 17] [DABC
6 9
18] [CDAB
11 14
19] [BCDA
0 20
20]
29 [ABCD
5 5
21] [DABC
10 9
22] [CDAB
15 14
23] [BCDA
4 20
24]
30 [ABCD
9 5
25] [DABC
14 9
26] [CDAB
3 14
27] [BCDA
8 20
28]
31 [ABCD
13
5 29] [DABC
2 9
30] [CDAB
7 14
31] [BCDA
12 20
32]
32
33
/* Round 3.
*/
34
/* Let [abcd k s t] denote the operation
35 a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
36
/* Do the following 16 operations.
*/
37
[ABCD 5
4 33] [DABC
8 11
34] [CDAB
11 16
35] [BCDA
14 23
36]
38 [ABCD
1 4
37] [DABC
4 11
38] [CDAB
7 16
39] [BCDA
10 23
40]
39 [ABCD
13
4 41] [DABC
0 11
42] [CDAB
3 16
43] [BCDA
6 23
44]
40 [ABCD
9 4
45] [DABC
12 11
46] [CDAB
15 16
47] [BCDA
2 23
48]
41
42
/* Round 4.
*/
43
/* Let [abcd k s t] denote the operation
44 a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s).
*/
45
/* Do the following 16 operations.
*/
46
[ABCD 0
6 49] [DABC
7 10
50] [CDAB
14 15
51] [BCDA
5 21
52]
47 [ABCD
12
6 53] [DABC
3 10
54] [CDAB
10 15
55] [BCDA
1 21
56]
48 [ABCD
8 6
57] [DABC
15 10
58] [CDAB
6 15
59] [BCDA
13 21
60]
49 [ABCD
4 6
61] [DABC
11 10
62] [CDAB
2 15
63] [BCDA
9 21
64]
50
51
/* Then perform the following additions. (That is increment each
52 of the four registers by the value it had before this block
53 was started.)
*/
54
A = A
+ AA
55 B
= B + BB
56 C
= C + CC
57 D
= D + DD
58
59
end /* of loop on i
*/
2.5 Output
报文摘要的产生后的形式为：A，B，C，D。也就是低位字节A开始，高位字节D结束。
3. C++ Implementation
有了上面5个步骤的算法描述，用C++实现起来就很直接了。需要注意的是在具体实现的时候上述5个步骤的顺序会有所变动，因为在大多数情况下我们都无法或很难提前计算出输入信息的长度b(如输入信息来自文件或网络)。因此在具体实现时Append Padding Bits和Append Length这两步会放在最后面。
4. Test Suite
由于实现代码比较长，在这里就不贴出来了，在本文后面会提供下载。MD5类的public接口如下：
md5.h
1
class MD5 {
2 public:
3 MD5();
4 MD5(const
void *input, size_t length);
5 MD5(const string
&str);
6 MD5(ifstream
&in);
7
void update(const
void *input, size_t length);
8
void update(const string
&str);
9
void update(ifstream
&in);
10
const byte* digest();
11 string toString();
12
void reset();
13 ...
14 };
下面简单介绍一下具体用法：
1.计算字符串的MD5值
下面的代码计算字符串"abc"的MD5值并用cout输出：
1
MD5 md5;
2 md5.update("abc");
3 cout
<< md5.toString()
<< endl;
4 //或者更简单点
5
cout << MD5("abc").toString()
<< endl;
2.计算文件的MD5值
下面的代码计算文本文件"D:\test.txt"的MD5值并用cout输出，如果是二进制文件打开的时候记得要指定ios::binary模式。另外需要注意的是用来计算的文件必须存在，所以最好在计算前先判断下ifstream的状态。
(本来判断ifstream是否有效不该是客户的责任，原本想在ifstream无效时用文件名做参数抛出FileNotFoundException之类的异常，后来却发现从ifstream中居然无法得到文件名...)
1
MD5 md5;
2 md5.update(ifstream("D:\\test.txt"));
3 cout
<< md5.toString()
<< endl;
4 //或者更简单点
5
cout << MD5(ifstream("D:\\test.txt")).toString()
<< endl;
3.最基本的用法
上面的用来计算字符串和文件MD5值的接口都是为了方便才提供的，其实最基本的接口是：
void update(const void *input, size_t length);
update的另外两个重载都是基于它来实现的，下面的代码用上述接口来实现FileDigest函数，该函数用来计算文件的MD5值：
1
string FileDigest(const string
&file) {
2
3
ifstream in(file.c_str(), ios::binary);
4
if (!in)
5
return "";
6
7
MD5 md5;
8 std::streamsize length;
9
char buffer[1024];
10
while (!in.eof()) {
11 in.read(buffer,
1024);
12 length
= in.gcount();
13
if (length >
0)
14 md5.update(buffer, length);
15 }
16 in.close();
17
return md5.toString();
18 }
下面看看测试代码：
test.cpp
1
#include "md5.h"
2
#include <iostream>
3
4
using namespace std;
5
6
void PrintMD5(const string
&str, MD5
&md5) {
7 cout
<< "MD5(\"" << str <<
"\") =
" << md5.toString()
<< endl;
8 }
9
10
int main() {
11
12
MD5 md5;
13 md5.update("");
14 PrintMD5("", md5);
15
16
md5.update("a");
17 PrintMD5("a",
md5);
18
19
md5.update("bc");
20 PrintMD5("abc",
md5);
21
22
md5.update("defghijklmnopqrstuvwxyz");
23 PrintMD5("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz",
md5);
24
25
md5.reset();
26 md5.update("message digest");
27 PrintMD5("message digest",
md5);
28
29
md5.reset();
30 md5.update(ifstream("D:\\test.txt"));
31 PrintMD5("D:\\test.txt",
md5);
32
33
return
0;
34 }
测试结果：
MD5("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
MD5("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
MD5("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
MD5("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
MD5("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
MD5("D:\test.txt") = 7ac66c0f148de9519b8bd264312c4d64
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