(搬运工)MD5算法的C++实现

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(32byte)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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