信息摘要算法之一：MD5算法解析及实现

MD5即Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法5），用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。
1、MD5算法简介
MD5在90年代初由MIT的计算机科学实验室和RSA Data Security Inc发明，经MD2、MD3和MD4发展而来。
MD5将任意长度的“字节串”变换成一个128bit的大整数，并且它是一个不可逆的字符串变换算法，换句话说就是，即使你看到源程序和算法描述，也无法将一个MD5的值变换回原始的字符串，从数学原理上说，是因为原始的字符串有无穷多个。
MD5的典型应用是对一段信息串 (Message)产生所谓的指纹 (fingerprint)，以防止被“篡改”。比方说，你将一段话写在一个文本文件中，并对这个文本文件产生一个MD5的值并记录在案，然后你可以传播这个文件给别人，别人如果修改了文件中的任何内容，你对这个文件重新计算MD5时就会发现。如果再有一个第三方的认证机构，用MD5还可以防止文件作者的“抵赖”，这就是所谓的数字签名应用。
MD5还广泛用于加密和解密技术上，在很多操作系统中，用户的密码是以MD5值（或类似的其它算法）的方式保存的，用户Login的时候，系统是把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和系统中保存的MD5值进行比较，而系统并不“知道”用户的密码是什么。
2、MD5算法分析
前面我们提到了MD5算法的主要应用领域，那么究竟MD5算法具体是什么样的呢？接下来我们就对其原理进行一些说明。

算法整体流程图
（1）待加密信息处理
显而易见，我们要对一个字符串进行MD5计算，那么肯定要从这个字符串的处理入手。我们知道一个字符的长度是一个字节，即8位（bit）的长度。MD5对待加密的字符串的处理是将一个字符串分割成每512位为一个分组，形如N*512+R，这里的R是余下的位数。这个R分为几种情况：
R=0时，需要补位，单补上一个512位的分组，因为还要加入最后64个位的字符串长度。
R<448时，则需要补位到448位，后面添加64位的字符串长度。
R>448时，除了补满这一分组外，还要再补上一个512位的分组后面添加64位的字符串长度。
补位的形式是先填充一个1，再接无数个0，直到补足512位。
NOTE：对消息进行数据填充，使消息的长度对512取模得448，设消息长度为X，即满足X mod 512=448。根据此公式得出需要填充的数据长度。
填充方法：在消息后面进行填充，填充第一位为1，其余为0。
（2）MD5的链接变量及基本操作
MD5有四个32位的被称作链接变量的整数参数，这是个参数我们定义为A、B、C、D其取值为：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210。但考虑到内存数据存储大小端的问题我们将其赋值为：A=0x67452301，B=0xefcdab89，C=0x98badcfe，D=0x10325476。
同时MD5算法规定了四个非线性操作函数（&是与，|是或，~是非，^是异或）：
F(X,Y,Z) =(X&Y)|((~X)&Z)
G(X,Y,Z) =(X&Z)|(Y&(~Z))
H(X,Y,Z) =X^Y^Z
I(X,Y,Z)=Y^(X|(~Z))
这些函数是这样设计的：如果X、Y和Z的对应位是独立和均匀的，那么结果的每一位也应是独立和均匀的。
利用上面的四种操作，生成四个重要的计算函数。首先我们声明四个中间变量a,b,c,d，赋值：a = A, b = B, c = C, d = D。然后定义这四个计算函数为：
FF(a, b, c, d, M[j], s, ti)表示 a = b + ((a + F(b, c, d) + Mj + ti) <<< s)
GG(a, b, c, d, M[j], s, ti)表示 a = b + ((a + G(b, c, d) + Mj + ti) <<< s)
HH(a, b, c, d, M[j], s, ti)表示 a = b + ((a + H(b, c, d) + Mj + ti) <<< s)
II(a, b, c, d, M[j], s, ti)表示 a = b + ((a + I(b, c, d) + Mj + ti) <<< s)
其中M[j]表示消息的第j个子分组（从0到15），<<表示循环左移s，常数ti是4294967296*abs(sin(i))的整数部分，i取值从1到64，单位是弧度。
（3）循环计算
定义好上述的四个计算函数后，就可以实现MD5的真正循环计算了。这个循环的循环次数为512位分组的个数。每次循环执行64不计算，上述4个函数每个16次，具体如下：
//第一轮循环计算
FF(a,b,c,d,M[0],7,0xd76aa478);
FF(d,a,b,c,M[1],12,0xe8c7b756);
FF(c,d,a,b,M[2],17,0x242070db);
FF(b,c,d,a,M[3],22,0xc1bdceee);
FF(a,b,c,d,M[4],7,0xf57c0faf);
FF(d,a,b,c,M[5],12,0x4787c62a);
FF(c,d,a,b,M[6],17,0xa8304613);
FF(b,c,d,a,M[7],22,0xfd469501) ;
FF(a,b,c,d,M[8],7,0x698098d8) ;
FF(d,a,b,c,M[9],12,0x8b44f7af) ;
FF(c,d,a,b,M[10],17,0xffff5bb1) ;
FF(b,c,d,a,M[11],22,0x895cd7be) ;
FF(a,b,c,d,M[12],7,0x6b901122) ;
FF(d,a,b,c,M[13],12,0xfd987193) ;
FF(c,d,a,b,M[14],17,0xa679438e) ;
FF(b,c,d,a,M[15],22,0x49b40821);

//第二轮循环计算
GG(a,b,c,d,M[1],5,0xf61e2562);
GG(d,a,b,c,M[6],9,0xc040b340);
GG(c,d,a,b,M[11],14,0x265e5a51);
GG(b,c,d,a,M[0],20,0xe9b6c7aa) ;
GG(a,b,c,d,M[5],5,0xd62f105d) ;
GG(d,a,b,c,M[10],9,0x02441453) ;
GG(c,d,a,b,M[15],14,0xd8a1e681);
GG(b,c,d,a,M[4],20,0xe7d3fbc8) ;
GG(a,b,c,d,M[9],5,0x21e1cde6) ;
GG(d,a,b,c,M[14],9,0xc33707d6) ;
GG(c,d,a,b,M[3],14,0xf4d50d87) ;
GG(b,c,d,a,M[8],20,0x455a14ed);
GG(a,b,c,d,M[13],5,0xa9e3e905);
GG(d,a,b,c,M[2],9,0xfcefa3f8) ;
GG(c,d,a,b,M[7],14,0x676f02d9) ;
GG(b,c,d,a,M[12],20,0x8d2a4c8a);

//第三轮循环计算
HH(a,b,c,d,M[5],4,0xfffa3942);
HH(d,a,b,c,M[8],11,0x8771f681);
HH(c,d,a,b,M[11],16,0x6d9d6122);
HH(b,c,d,a,M[14],23,0xfde5380c) ;
HH(a,b,c,d,M[1],4,0xa4beea44) ;
HH(d,a,b,c,M[4],11,0x4bdecfa9) ;
HH(c,d,a,b,M[7],16,0xf6bb4b60) ;
HH(b,c,d,a,M[10],23,0xbebfbc70);
HH(a,b,c,d,M[13],4,0x289b7ec6);
HH(d,a,b,c,M[0],11,0xeaa127fa);
HH(c,d,a,b,M[3],16,0xd4ef3085);
HH(b,c,d,a,M[6],23,0x04881d05);
HH(a,b,c,d,M[9],4,0xd9d4d039);
HH(d,a,b,c,M[12],11,0xe6db99e5);
HH(c,d,a,b,M[15],16,0x1fa27cf8) ;
HH(b,c,d,a,M[2],23,0xc4ac5665);

//第四轮循环计算
II(a,b,c,d,M[0],6,0xf4292244) ;
II(d,a,b,c,M[7],10,0x432aff97) ;
II(c,d,a,b,M[14],15,0xab9423a7);
II(b,c,d,a,M[5],21,0xfc93a039) ;
II(a,b,c,d,M[12],6,0x655b59c3) ;
II(d,a,b,c,M[3],10,0x8f0ccc92) ;
II(c,d,a,b,M[10],15,0xffeff47d);
II(b,c,d,a,M[1],21,0x85845dd1) ;
II(a,b,c,d,M[8],6,0x6fa87e4f) ;
II(d,a,b,c,M[15],10,0xfe2ce6e0);
II(c,d,a,b,M[6],15,0xa3014314) ;
II(b,c,d,a,M[13],21,0x4e0811a1);
II(a,b,c,d,M[4],6,0xf7537e82) ;
II(d,a,b,c,M[11],10,0xbd3af235);
II(c,d,a,b,M[2],15,0x2ad7d2bb);
II(b,c,d,a,M[9],21,0xeb86d391);
（4）结果输出
处理完所有的512位的分组后，得到一组新的A,B,C,D的值，将这些值按ABCD的顺序级联，就得到了想要的MD5散列值。当然，输出依然要考虑内存存储的大小端问题。
3、MD5算法实现

（1）方法1：来自百度百科

#include
#include
using namespace std;
#define shift(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n))))//右移的时候，高位一定要补零，而不是补充符号位
#define F(x, y, z) (((x) & (y)) | ((~x) & (z)))    
#define G(x, y, z) (((x) & (z)) | ((y) & (~z)))
#define H(x, y, z) ((x) ^ (y) ^ (z))
#define I(x, y, z) ((y) ^ ((x) | (~z)))
#define A 0x67452301
#define B 0xefcdab89
#define C 0x98badcfe
#define D 0x10325476
//strBaye的长度
unsigned int strlength;
//A,B,C,D的临时变量
unsigned int atemp;
unsigned int btemp;
unsigned int ctemp;
unsigned int dtemp;
//常量ti unsigned int(abs(sin(i+1))*(2pow32))
const unsigned int k[]={
        0xd76aa478,0xe8c7b756,0x242070db,0xc1bdceee,
        0xf57c0faf,0x4787c62a,0xa8304613,0xfd469501,0x698098d8,
        0x8b44f7af,0xffff5bb1,0x895cd7be,0x6b901122,0xfd987193,
        0xa679438e,0x49b40821,0xf61e2562,0xc040b340,0x265e5a51,
        0xe9b6c7aa,0xd62f105d,0x02441453,0xd8a1e681,0xe7d3fbc8,
        0x21e1cde6,0xc33707d6,0xf4d50d87,0x455a14ed,0xa9e3e905,
        0xfcefa3f8,0x676f02d9,0x8d2a4c8a,0xfffa3942,0x8771f681,
        0x6d9d6122,0xfde5380c,0xa4beea44,0x4bdecfa9,0xf6bb4b60,
        0xbebfbc70,0x289b7ec6,0xeaa127fa,0xd4ef3085,0x04881d05,
        0xd9d4d039,0xe6db99e5,0x1fa27cf8,0xc4ac5665,0xf4292244,
        0x432aff97,0xab9423a7,0xfc93a039,0x655b59c3,0x8f0ccc92,
        0xffeff47d,0x85845dd1,0x6fa87e4f,0xfe2ce6e0,0xa3014314,
        0x4e0811a1,0xf7537e82,0xbd3af235,0x2ad7d2bb,0xeb86d391};
//向左位移数
const unsigned int s[]={7,12,17,22,7,12,17,22,7,12,17,22,7,
        12,17,22,5,9,14,20,5,9,14,20,5,9,14,20,5,9,14,20,
        4,11,16,23,4,11,16,23,4,11,16,23,4,11,16,23,6,10,
        15,21,6,10,15,21,6,10,15,21,6,10,15,21};
const char str16[]="0123456789abcdef";
void mainLoop(unsigned int M[])
{
    unsigned int f,g;
    unsigned int a=atemp;
    unsigned int b=btemp;
    unsigned int c=ctemp;
    unsigned int d=dtemp;
    for (unsigned int i = 0; i < 64; i++)
    {
        if(i<16){
            f=F(b,c,d);
            g=i;
        }else if (i<32)
        {
            f=G(b,c,d);
            g=(5*i+1)%16;
        }else if(i<48){
            f=H(b,c,d);
            g=(3*i+5)%16;
        }else{
            f=I(b,c,d);
            g=(7*i)%16;
        }
        unsigned int tmp=d;
        d=c;
        c=b;
        b=b+shift((a+f+k[i]+M[g]),s[i]);
        a=tmp;
    }
    atemp=a+atemp;
    btemp=b+btemp;
    ctemp=c+ctemp;
    dtemp=d+dtemp;
}
/*
*填充函数
*处理后应满足bits≡448(mod512),字节就是bytes≡56（mode64)
*填充方式为先加一个1,其它位补零
*最后加上64位的原来长度
*/
unsigned int* add(string str)
{
    unsigned int num=((str.length()+8)/64)+1;//以512位,64个字节为一组
    unsigned int *strByte=new unsigned int[num*16];    //64/4=16,所以有16个整数
    strlength=num*16;
    for (unsigned int i = 0; i < num*16; i++)
        strByte[i]=0;
    for (unsigned int i=0; i >2]|=(str[i])<<((i%4)*8);//一个整数存储四个字节，i>>2表示i/4 一个unsigned int对应4个字节，保存4个字符信息
    }
    strByte[str.length()>>2]|=0x80<<(((str.length()%4))*8);//尾部添加1 一个unsigned int保存4个字符信息,所以用128左移
    /*
    *添加原长度，长度指位的长度，所以要乘8，然后是小端序，所以放在倒数第二个,这里长度只用了32位
    */
    strByte[num*16-2]=str.length()*8;
    return strByte;
}
string changeHex(int a)
{
    int b;
    string str1;
    string str="";
    for(int i=0;i<4;i++)
    {
        str1="";
        b=((a>>i*8)%(1<<8))&0xff;   //逆序处理每个字节
        for (int j = 0; j < 2; j++)
        {
            str1.insert(0,1,str16[b%16]);
            b=b/16;
        }
        str+=str1;
    }
    return str;
}
string getMD5(string source)
{
    atemp=A;    //初始化
    btemp=B;
    ctemp=C;
    dtemp=D;
    unsigned int *strByte=add(source);
    for(unsigned int i=0;i16;i++)
    {
        unsigned int num[16];
        for(unsigned int j=0;j<16;j++)
            num[j]=strByte[i*16+j];
        mainLoop(num);
    }
    return changeHex(atemp).append(changeHex(btemp)).append(changeHex(ctemp)).append(changeHex(dtemp));
}
unsigned int main()
{
    string ss;
//    cin>>ss;
    string s=getMD5("abc");
    cout<return 0;
}

（2）方法2：来自https://www.cnblogs.com/hjgods/p/3998570.html

#MD5.h

#ifndef MD5H
#define MD5H
#include 
#include 

void ROL(unsigned int &s, unsigned short cx); //32位数循环左移实现函数
void ltob(unsigned int &i); //B\L互转，接受UINT类型
unsigned int* MD5(const char* mStr); //接口函数，并执行数据填充，计算MD5时调用此函数

#endif

#MD5.cpp

#include "MD5.h"

/*4组计算函数*/
inline unsigned int F(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
{
    return (X & Y) | ((~X) & Z);
}
inline unsigned int G(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
{
    return (X & Z) | (Y & (~Z));
}
inline unsigned int H(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
{
    return X ^ Y ^ Z;
}
inline unsigned int I(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
{
    return Y ^ (X | (~Z));
}
/*4组计算函数结束*/

/*32位数循环左移实现函数*/
void ROL(unsigned int &s, unsigned short cx)
{
    if (cx > 32)cx %= 32;
    s = (s << cx) | (s >> (32 - cx));
    return;
}

/*B\L互转，接收UINT类型*/
void ltob(unsigned int &i)
{
    unsigned int tmp = i;//保存副本
    byte *psour = (byte*)&tmp, *pdes = (byte*)&i;
    pdes += 3;//调整指针，准备左右调转
    for (short i = 3; i >= 0; --i)
    {
        CopyMemory(pdes - i, psour + i, 1);
    }
    return;
}

/*
MD5循环计算函数，label=第几轮循环（1<=label<=4），lGroup数组=4个种子副本，M=数据（16组32位数指针）
种子数组排列方式: --A--D--C--B--，即 lGroup[0]=A; lGroup[1]=D; lGroup[2]=C; lGroup[3]=B;
*/
void AccLoop(unsigned short label, unsigned int *lGroup, void *M)
{
    unsigned int *i1, *i2, *i3, *i4, TAcc, tmpi = 0; //定义:4个指针； T表累加器； 局部变量
    typedef unsigned int(*clac)(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z); //定义函数类型
    const unsigned int rolarray[4][4] = {
        { 7, 12, 17, 22 },
        { 5, 9, 14, 20 },
        { 4, 11, 16, 23 },
        { 6, 10, 15, 21 }
    };//循环左移-位数表
    const unsigned short mN[4][16] = {
        { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 },
        { 1, 6, 11, 0, 5, 10, 15, 4, 9, 14, 3, 8, 13, 2, 7, 12 },
        { 5, 8, 11, 14, 1, 4, 7, 10, 13, 0, 3, 6, 9, 12, 15, 2 },
        { 0, 7, 14, 5, 12, 3, 10, 1, 8, 15, 6, 13, 4, 11, 2, 9 }
    };//数据坐标表
    const unsigned int *pM = static_cast<unsigned int*>(M);//转换类型为32位的Uint
    TAcc = ((label - 1) * 16) + 1; //根据第几轮循环初始化T表累加器
    clac clacArr[4] = { F, G, H, I }; //定义并初始化计算函数指针数组

   /*一轮循环开始（16组->16次）*/
    for (short i = 0; i < 16; ++i)
    {
        /*进行指针自变换*/
        i1 = lGroup + ((0 + i) % 4);
        i2 = lGroup + ((3 + i) % 4);
        i3 = lGroup + ((2 + i) % 4);
        i4 = lGroup + ((1 + i) % 4);

   /*第一步计算开始: A+F(B,C,D)+M[i]+T[i+1] 注:第一步中直接计算T表*/
        tmpi = (*i1 + clacArr[label - 1](*i2, *i3, *i4) + pM[(mN[label - 1][i])] + (unsigned int)(0x100000000UL * abs(sin((double)(TAcc + i)))));
        ROL(tmpi, rolarray[label - 1][i % 4]);//第二步:循环左移
        *i1 = *i2 + tmpi;//第三步:相加并赋值到种子
    }
    return;
}

/*接口函数，并执行数据填充*/
unsigned int* MD5(const char* mStr)
{
    unsigned int mLen = strlen(mStr); //计算字符串长度
    if (mLen < 0) return 0;
    unsigned int FillSize = 448 - ((mLen * 8) % 512); //计算需填充的bit数
    unsigned int FSbyte = FillSize / 8; //以字节表示的填充数
    unsigned int BuffLen = mLen + 8 + FSbyte; //缓冲区长度或者说填充后的长度
    unsigned char *md5Buff = new unsigned char[BuffLen]; //分配缓冲区
    CopyMemory(md5Buff, mStr, mLen); //复制字符串到缓冲区

   /*数据填充开始*/
    md5Buff[mLen] = 0x80; //第一个bit填充1
    ZeroMemory(&md5Buff[mLen + 1], FSbyte - 1); //其它bit填充0，另一可用函数为FillMemory
    unsigned long long lenBit = mLen * 8ULL; //计算字符串长度，准备填充
    CopyMemory(&md5Buff[mLen + FSbyte], &lenBit, 8); //填充长度
    /*数据填充结束*/

   /*运算开始*/
    unsigned int LoopNumber = BuffLen / 64; //以16个字为一分组，计算分组数量
    unsigned int A = 0x67452301, B = 0x0EFCDAB89, C = 0x98BADCFE, D = 0x10325476;//初始4个种子，小端类型
    unsigned int *lGroup = new unsigned int[4]{ A, D, C, B}; //种子副本数组,并作为返回值返回
    for (unsigned int Bcount = 0; Bcount < LoopNumber; ++Bcount) //分组大循环开始
    {
        /*进入4次计算的小循环*/
        for (unsigned short Lcount = 0; Lcount < 4;)
        {
            AccLoop(++Lcount, lGroup, &md5Buff[Bcount * 64]);
        }
        /*数据相加作为下一轮的种子或者最终输出*/
        A = (lGroup[0] += A);
        B = (lGroup[3] += B);
        C = (lGroup[2] += C);
        D = (lGroup[1] += D);
    }
    /*转换内存中的布局后才能正常显示*/
    ltob(lGroup[0]);
    ltob(lGroup[1]);
    ltob(lGroup[2]);
    ltob(lGroup[3]);
    delete[] md5Buff; //清除内存并返回
    return lGroup;
}

#main.cpp

#include 
#include 
#include 
#include "MD5.h"
int main(int argc, char **argv)
{
    char tmpstr[256], buf[4][10];
    std::cout << "请输入要加密的字符串：";
    std::cin >> tmpstr;
    unsigned int* tmpGroup = MD5(tmpstr);
    sprintf_s(buf[0], "%8X", tmpGroup[0]);
    sprintf_s(buf[1], "%8X", tmpGroup[3]);
    sprintf_s(buf[2], "%8X", tmpGroup[2]);
    sprintf_s(buf[3], "%8X", tmpGroup[1]);
    std::cout <<"MD5:"<< buf[0] << buf[1] << buf[2] << buf[3] << std::endl;

   delete[] tmpGroup;
    return 0; //在此下断点才能看到输出的值
}