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(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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