作者：邵發(fā)
官網(wǎng)：http://afanihao.cn/java
本文是Java學(xué)習(xí)指南系列教程的官方配套文檔。內(nèi)容介紹Java里的常用算法的使用，包含轉(zhuǎn)換Hex / Base64等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法，CRC32 / MD5 / HMAC-SHA1數(shù)據(jù)簽名和校驗(yàn)算法，DES / AES等對(duì)稱(chēng)加密算法。
由于篇幅的限制，本文只對(duì)各種算法的使用給出代碼示例。如果對(duì)原理有不明白的地方，可以參考Java學(xué)習(xí)指南系列的《項(xiàng)目應(yīng)用篇》，里面對(duì)每一個(gè)算法的應(yīng)用背景和原理有較為詳細(xì)的解釋。本文附帶項(xiàng)目源碼及相關(guān)JAR包。
在Java里，一般性的數(shù)據(jù)用byte[]表示，即字節(jié)數(shù)組。由于byte[]本身不可顯示，所以為了顯示和傳遞的方便，有時(shí)候需要把它轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制顯示。
例如，
byte[] code ={ -5, 0, 10, 99, 20 };
String hex =Hex.encodeHexString(code, false);
code表示5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制表字符串為：FB000A6314 。在十六進(jìn)制表示下，每?jī)蓚€(gè)字符表示1字節(jié)的數(shù)據(jù)，即FB 00 0A 64 14共五個(gè)字節(jié)。
反轉(zhuǎn)來(lái)，也可以
byte[] code2 =Hex.decodeHex(hex);
解碼后得到長(zhǎng)度為5字節(jié)的數(shù)組code2，和原始數(shù)據(jù)內(nèi)容是一樣的。
Hex是一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法，它沒(méi)有改變數(shù)據(jù)的值，僅僅是換了一個(gè)表示方式。就好比機(jī)器貓和多萊夢(mèng)，說(shuō)的是同一個(gè)事物。
Base64，即64進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。在64進(jìn)制下，一共有64個(gè)基礎(chǔ)字符。即，
'A', 'B', 'C', …, 'Y', 'Z',
'a', 'b', 'c', …, 'y', 'z',
'0', '1', '2', …, '8', '9',
'+', '-'
以下示例，把4字節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成Base64的表示，例如。
byte[]code = { 12, 4 , 9, -2};
Stringstr = Base64.encodeBase64String(code);
轉(zhuǎn)換的結(jié)果為： DAQJ/g== ，雖然結(jié)果看起來(lái)有點(diǎn)奇怪，但這只是一個(gè)表示方式，數(shù)據(jù)的內(nèi)容沒(méi)有發(fā)生變化。
反過(guò)來(lái)，也可以把Base64表示的字符串，再解碼為字節(jié)數(shù)據(jù)。例如。
byte[]code2 = Base64.decodeBase64(str);
解碼之后，得到的字節(jié)數(shù)組和原始內(nèi)容是一致的。
業(yè)界用于校驗(yàn)的算法有多種，比如：
Parity : 奇偶校驗(yàn)
ECC : 錯(cuò)誤校驗(yàn)與糾正
Checksum : 和校驗(yàn)
CRC32 : 循環(huán)冗余校驗(yàn)
MD5 : 消息摘要
SHA1 : 安全哈希
其中，MD5和SHA1是Java項(xiàng)目里使用比較多的校驗(yàn)算法。
所謂校驗(yàn)算法，用于在傳輸過(guò)程中的完整性的校驗(yàn)。比如，A給B發(fā)送一個(gè)大文件，B在接收到之后惴惴不安，因?yàn)樗荒艽_定這么大一個(gè)文件在傳輸過(guò)程中沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生（比如某個(gè)字節(jié)傳錯(cuò)了）。B怎么才能夠確認(rèn)這個(gè)文件的完整性呢？需采用校驗(yàn)算法。
MD5的基本使用公式： Code = MD5 ( Data)
其中 Data為輸入的一段數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)MD5運(yùn)算之后，得到16字節(jié)的結(jié)果，稱(chēng)為MD5碼。
特點(diǎn)：
1 無(wú)論Data有多長(zhǎng)，輸出的MD5碼總是16字節(jié)
2 如果Data不同，則輸出的MD5碼也不相同。（極大概率不同）
//待處理的數(shù)據(jù),任意長(zhǎng)度
byte[]data = { 12, 8, 9, -1, 87, 0, -47, 99, 14, 54 };
//創(chuàng)建算法實(shí)例 ,MD5 或 SHA1
MessageDigestmd = MessageDigest.getInstance("MD5");
md.update(data);
byte[]code = md.digest();
//轉(zhuǎn)成HEX顯示 (參考上一章)
Stringresult = Hex.encodeHexString(code, false);
需要注意的是，MD5算法的輸出結(jié)果是一個(gè)長(zhǎng)為16字節(jié)的byte[]，通常需要轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制的字符串顯示。所以我們通?？吹降?/span>MD5值是由32字符表示的。
在Java項(xiàng)目中，通常需要對(duì)字符串求MD5碼。示例如下。
// 待處理的字符串
Stringtext = "阿發(fā)你好/afanihao.cn";
//轉(zhuǎn)成字節(jié)數(shù)據(jù)
byte[]data = text.getBytes("UTF-8");
//求消息摘要
MessageDigestmd = MessageDigest.getInstance("MD5");
md.update(data);
byte[]code = md.digest();
//轉(zhuǎn)成HEX顯示
Stringresult = Hex.encodeHexString(code, false);
System.out.println("校驗(yàn)碼: " + result);
使用MD5算法，也可以對(duì)一個(gè)很大的文件求MD5碼。示例代碼略。
SHA1也是一種校驗(yàn)算法，比MD5更強(qiáng)，輸出20字節(jié)的校驗(yàn)碼。它的使用方法和MD5一樣，只需要把算法的名字改成SHA1就行了。
byte[]data = { 12, 8, 9, -1, 87, 0, -47, 99, 14, 54 };
MessageDigestmd = MessageDigest.getInstance("SHA1");
md.update(data);
byte[]code = md.digest();
Stringresult = Hex.encodeHexString(code, false);
CRC32也是一種校驗(yàn)算法，生成4字節(jié)的校驗(yàn)碼。它在Java領(lǐng)域使用得不多，稍微了解一下即可。
//待處理的數(shù)據(jù),任意長(zhǎng)度
byte[]data = { 12, 8, 9, -1, 87, 0, -47, 99, 14, 54 };
//創(chuàng)建算法實(shí)例
CRC32crc = new CRC32();
crc.update(data );
longvalue = crc.getValue();
//轉(zhuǎn)成HEX顯示 (參考上一章)
Stringresult = Long.toHexString(value);
System.out.println("校驗(yàn)碼: " + result);
所謂簽名，也是一種校驗(yàn)算法，只是這個(gè)校驗(yàn)碼是無(wú)法偽造的。簽名算法用于保證數(shù)據(jù)的真實(shí)現(xiàn)性。
例如，
Code = HMAC-SHA1( Data, Key )
其中，Data為輸入的數(shù)據(jù)，Key為指定的密鑰。在經(jīng)過(guò)HMAC-SHA1運(yùn)算后，得到一個(gè)20字節(jié)的校驗(yàn)碼。
這個(gè)校驗(yàn)碼是無(wú)法偽造的，只有持有Key的人，才能生成相同的校驗(yàn)碼。在傳遞的過(guò)程，傳輸雙方都知曉這個(gè)密鑰，才能得到相同的校驗(yàn)碼。
// 數(shù)據(jù)
byte[]data = { 12, 8, 9, -1, 87, 0, -47, 99, 14, 54 };
//密鑰
Stringkey = "test2019";
//HMAC-SHA1 算法
KeykeySpec = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "HMACSHA1");
Macmac = Mac.getInstance("HMACSHA1");
mac.init(keySpec);
//更新數(shù)據(jù)
mac.update(data);
//取得最終結(jié)果
byte[]code = mac.doFinal();
Stringresult = Hex.encodeHexString(code, false);
System.out.println("簽名: " + result);
在Java項(xiàng)目里，常見(jiàn)對(duì)String的簽名操作，為此封裝出一個(gè)工具類(lèi)HmacSha1Util。示例用法如下：
String text = "afanihao.cn | 阿發(fā)你好 | Java學(xué)習(xí)指南";
String key = "your_key_2019";
String result = HmacSha1Util(text , key);
下面介紹兩種常見(jiàn)的加密算法：DES和AES。其中，DES出現(xiàn)的較早，而AES是它的升級(jí)替代品。
什么叫加密？加密意味著秘密，只有持有秘鑰者可以解讀。
(1) 加密后的數(shù)據(jù)可以解密，還原為原始數(shù)據(jù)
(2) 只有持有秘鑰者可以解密
加密算法的一般公式為：
Cipher= Encrypt( Plain, Key )
其中，Plain為原文，Key為密鑰。經(jīng)加密算法運(yùn)算后，得到密鑰。
反過(guò)來(lái)，還可以解密，公式為：
Plain= Decrypt ( Cipher, Key)
這個(gè)加密和加密的過(guò)程是對(duì)稱(chēng)的（互逆的），來(lái)回使用的是同一處密鑰，所以稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)加密算法。
public staticbyte[] encrypt(byte[] plain, byte[] key) throws Exception
{
//使用 PKCS5補(bǔ)齊方式
Cipher c = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "DES");
c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
// 加密
byte [] output = c.doFinal(plain);
return output;
}
其中，plain為原文，key是密角，返回值為密文。
在Java項(xiàng)目中，密鑰通常為String，需要自己轉(zhuǎn)成byte[]。對(duì)于DES來(lái)說(shuō)，要求密鑰長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)。
public staticbyte[] decrypt(byte[] cipher, byte[] key) throws Exception
{
//使用 PKCS5補(bǔ)齊方式
Cipher c = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "DES");
c.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
byte [] output = c.doFinal(cipher);
return output;
}
同樣地，在實(shí)際項(xiàng)目中處理的往往是String，而結(jié)果也往往要轉(zhuǎn)成HEX形式表示。所以要自己添加額外的處理，自己要稍微封裝一下再使用。
AES是用于取代DES的更高級(jí)更強(qiáng)的加密算法，但用法基本是類(lèi)同的。AES加密密鑰長(zhǎng)度為16字節(jié)，每16字節(jié)一組進(jìn)行加密。
public staticbyte[] encrypt(byte[] plain, byte[] key) throws Exception
{
//AES
Cipherc = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
SecretKeySpeckeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,keySpec);
//加密
byte[]output = c.doFinal(plain);
returnoutput;
}
public staticbyte[] decrypt(byte[] cipher, byte[] key) throws Exception
{
//AES
Cipherc = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
SecretKeySpeckeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
c.init(Cipher.DECRYPT_MODE,keySpec);
byte[]output = c.doFinal(cipher);
returnoutput;
}
其中，在準(zhǔn)備密鑰的時(shí)候，需保證密鑰長(zhǎng)度不少于16字節(jié)。
由于在Java項(xiàng)目中要處理的信息一般是String，所以對(duì)上述AES算法做一個(gè)簡(jiǎn)單的封裝，得到AESUtil工具類(lèi)。
示例用法如下：
Stringkey = "your_key_2910";
Stringplain = "阿發(fā)你好 |afanihao.cn | Java學(xué)習(xí)指南系列教程 ";
Stringcipher = AESUtil.encrypt(plain, key); // 加密
Stringplain2 = AESUtil.decrypt(cipher, key); // 解密
這樣在項(xiàng)目中調(diào)用就非常的簡(jiǎn)單了，只需要自己指定一下密鑰，就可以進(jìn)行加密解密了。
以上介紹了幾種常見(jiàn)算法的使用，如果有對(duì)應(yīng)用背景、原理和項(xiàng)目使用不太清楚的地方，可以參考Java學(xué)習(xí)指南系列教程的《項(xiàng)目應(yīng)用篇》。 本篇演示所用的項(xiàng)目源碼和JAR包在此處可以獲取。
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