用Python實現乙個簡單的加密程式

生活中，有時候我們需要對一些重要的檔案進行加密，python 提供了諸如 hashlib，base64 等便於使用的加密庫。

對於日常學習而言，我們可以借助異或操作，實現乙個簡單的檔案加密程式，從而強化自身的程式設計能力。

基礎知識

在 python 中異或操作符為：^，也可以記作 xor。按位異或的意思是：相同值異或為 0，不同值異或為 1。具體來講，有四種可能：0 ^ 0 = 0，0 ^ 1 = 1, 1 ^ 0 = 1, 1 ^ 1 = 0。我們還可總結出規律（a 為 0 或 1）：0 和 a 異或為 a本身；1 和 a 異或為 a 反。

讓我們想看看一位二進位制數滿足的性質：

b ^ b = 0

a ^ b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c

(a ^ b) ^ b = a ^ (b ^ b) = a ^ 0 = a

易知，對任意長二進位制數都滿足上述性質。

原理通過了解異或操作的性質，加密原理就非常清晰了。

加密操作：

首先將檔案轉換成二進位制數，再生成與該二進位制數等長的隨機金鑰，將二進位制數與金鑰進行異或操作，得到加密後的二進位制數。

解密操作：

將加密後的二進位制程式與金鑰進行異或操作，就得到原二進位制數，最後將原二進位制數恢復成文字檔案。

**生成隨機金鑰：

secrets 庫是 python 3.6 引入的偽隨機數模組，適合生成隨機金鑰。token_bytes 函式接受乙個 int 引數，用於指定隨機位元組串的長度。int.from_bytes 把位元組串轉換為 int，也就是我們需要的二進位制數。

from secrets import token_bytes
from typing import tuple
defrandom_key
(length:
int)
->
int:
key:
bytes
= token_bytes(nbytes=length)
key_int:
int=
int.from_bytes(key,
'big'
)return key_int

加密單元:

encrypt 函式接受乙個 str 物件，返回元組 (int, int)。通過 encode 方法，我們將字串編碼成位元組串。int.from_bytes 函式將位元組串轉換為 int 物件。最後對二進位制物件和隨機金鑰進行異或操作，就得到了加密文字。

def
encrypt
(raw:
str)
-> tuple[
int,
int]
:    raw_bytes:
bytes
= raw.encode(
)    raw_int:
int=
int.from_bytes(raw_bytes,
'big'
)    key_int:
int= random_key(
len(raw_bytes)
)return raw_int ^ key_int, key_int

解密單元：

decrypt 接受兩個 int 物件，分別為加密文字和隨機金鑰。首先對兩者進行異或操作，計算解密出來的 int 物件所佔位元數。decrypted.bit_length 函式得到的是二進位制數的位數，除以 8 可以得到所佔位元大小。為了防止，1 ~ 7 位的二進位制數整除 8 得到 0，所以要加上 7，然後再進行整除 8 的操作。使用 int.to_bytes 函式將解密之後的 int 的物件轉換成 bytes 物件。最後通過 decode 方法，將位元組串轉換成字串。

def
decrypt
(encrypted:
int, key_int:
int)
->
str:
decrypted:
int= encrypted ^ key_int
length =
(decrypted.bit_length()+
7)//8
decrypted_bytes:
bytes
=int
.to_bytes(decrypted, length,
'big'
)return decrypted_bytes.decode(
)

利用上述函式，我們可以很輕鬆對文字檔案進行加密、解密操作。

>>
> raw =
'畫圖省識春風面，環珮空歸夜月魂'
>>
> encrypted = encrypt(raw)
>>
> encrypted
(217447100157746604585..
.,9697901906831571319..
.)>>
> decrypt(
*encrypted)
'畫圖省識春風面，環珮空歸夜月魂'

加密文字檔案

path 為待加密檔案的位址，如果不指定金鑰位址，則在該目錄下新建目錄和檔案。

import json
from pathlib import path
defencrypt_file
(path:
str, key_path=
none,*
, encoding=
'utf-8'):
path = path(path)
cwd = path.cwd(
)/ path.name.split(
'.')[0
]    path_encrypted = cwd / path.name 
if key_path is
none
:        key_path = cwd /
'key'
ifnot cwd.exists():
cwd.mkdir(
)        path_encrypted.touch(
)        key_path.touch(
)with path.
open
('rt'
, encoding=encoding)
as f1, \
path_encrypted.
open
('wt'
, encoding=encoding)
as f2, \
key_path.
open
('wt'
, encoding=encoding)
as f3:
encrypted, key = encrypt(f1.read())
json.dump(encrypted, f2)
json.dump(key, f3)

解密檔案

def
decrypt_file
(path_encrypted:
str, key_path=
none,*
, encoding=
'utf-8'):
path_encrypted = path(path_encrypted)
cwd = path_encrypted.cwd(
)    path_decrypted = cwd /
'decrypted'
ifnot path_decrypted.exists():
path_decrypted.mkdir(
)        path_decrypted /= path_encrypted.name
path_decrypted.touch(
)if key_path is
none
:        key_path = cwd /
'key'
with path_encrypted.
open
('rt'
, encoding=encoding)
as f1, \
key_path.
open
('rt'
, encoding=encoding)
as f2, \
path_decrypted.
open
('wt'
, encoding=encoding)
as f3:
decrypted = decrypt(json.load(f1)
, json.load(f2)
)        f3.write(decrypted)

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