MD5消息摘要算法的C++代码实现（含注释）

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

void H_getMD5(const unsigned long Message[16]);
static unsigned long State[4]; /* MD5值是由4个32bit的数组成的，也就是4个4Byte长的无符号整型 */

static unsigned long Count[2]; /* MD5算法除了要对原字符串按bit填充1和0之外，还需要在末尾附上64bit
                           的值，值是用字符串的bit长度 mod 2^64，这两整型是8byte，共64bit */

static unsigned char buffer[64]; /* MD5按每 512bit 一组来处理，这用来存放每组的 512bit */


/* Left_Shift表示，对x进行循环左移 n 位 */
#define Left_Shift(x,n) (((x)<<(n))|((x)>>(32-(n))))

/* F、G、H、I 4个函数是MD5的4个基本的非线性函数 */
#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)))



/* MD5主轮函数一共64次，每一次分别使用对应的位数来进行循环左移 */
const int shift_bit[64] = { 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 };



/* 
** K_Sin数组里存的是sin(i)*2^32的整数部分的绝对值，
** 提前打表，提高运行效率。
*/
const unsigned long K_Sin[64] = {
    0xd76aa478l, 0xe8c7b756l, 0x242070dbl, 0xc1bdceeel,
    0xf57c0fafl, 0x4787c62al, 0xa8304613l, 0xfd469501l,
    0x698098d8l, 0x8b44f7afl, 0xffff5bb1l, 0x895cd7bel,
    0x6b901122l, 0xfd987193l, 0xa679438el, 0x49b40821l,
    0xf61e2562l, 0xc040b340l, 0x265e5a51l, 0xe9b6c7aal,
    0xd62f105dl, 0x02441453l, 0xd8a1e681l, 0xe7d3fbc8l,
    0x21e1cde6l, 0xc33707d6l, 0xf4d50d87l, 0x455a14edl,
    0xa9e3e905l, 0xfcefa3f8l, 0x676f02d9l, 0x8d2a4c8al,
    0xfffa3942l, 0x8771f681l, 0x6d9d6122l, 0xfde5380cl,
    0xa4beea44l, 0x4bdecfa9l, 0xf6bb4b60l, 0xbebfbc70l,
    0x289b7ec6l, 0xeaa127fal, 0xd4ef3085l, 0x04881d05l,
    0xd9d4d039l, 0xe6db99e5l, 0x1fa27cf8l, 0xc4ac5665l,
    0xf4292244l, 0x432aff97l, 0xab9423a7l, 0xfc93a039l,
    0x655b59c3l, 0x8f0ccc92l, 0xffeff47dl, 0x85845dd1l,
    0x6fa87e4fl, 0xfe2ce6e0l, 0xa3014314l, 0x4e0811a1l,
    0xf7537e82l, 0xbd3af235l, 0x2ad7d2bbl, 0xeb86d391l,
};

/*
** 要对字符串按bit位填充一个1，然后紧接着若干个0，
** 使得它的bit长度 % 512 == 448，最多需要拼接512bit，
** 也就是 64 字节
*/
const unsigned char PADDING[64] = {
    0x80, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
    0,    0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
    0,    0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 
    0,    0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 };


void Encode(unsigned char* str_out, const unsigned long* ulong_in, int char_len)
{
/**************************************************
@brief      : 因为X86体系结构是小端模式，所以需要对输入的unsigned long数组进行字节序调整，
                以满足可以按unsigned long为单位（按4字节为单位)读取。
@param[out] : 无
@param[in]  : const unsigned long* ulong_in 需要调整字节序的unsigned long数组
@param[in]  : unsigned char* str_out 已调整完字节序的字符数组
@param[in]  : int char_len 以字符位单位的数组的长度
**************************************************/

    //因为输入的字符串是4的倍数，所以肯定能被4整除
    // circle_time是循环的次数，也就是
    int circle_time = char_len / 4;
    
    for (int i = 0; i < circle_time; i++)
    {
        //取unsigned long的最低位的1字节
        str_out[i*4] = (unsigned char)(ulong_in[i] & 0xff);
        
        //取unsigned long的次低位的1字节
        str_out[i * 4 + 1] = (unsigned char)((ulong_in[i] >> 8) & 0xff);

        //取unsigned long的次高位的1字节
        str_out[i * 4 + 2] = (unsigned char)((ulong_in[i] >> 16) & 0xff);

        //取unsigned long的最高位的1字节
        str_out[i * 4 + 3] = (unsigned char)((ulong_in[i] >> 24) & 0xff);
    }
}



void Decode(unsigned long* ulong_out, const unsigned char* str_in, int char_len)
{
/**************************************************
@brief      : 因为X86体系结构是小端模式，所以需要对输入的unsigned char数组进行字节序调整，
                以满足可以按unsigned long为单位（按4字节为单位)读取。
@param[out] : 无
@param[in]  : const unsigned char* str_in 需要调整字节序的unsigned char数组
@param[in]  : unsigned long* ulong_out 已调整完字节序的unsigned long数组
@param[in]  : int char_len 以字符位单位的数组的长度
**************************************************/

    //因为输入的字符串也肯定是4的倍数，所以肯定能被4整除
    // circle_time是循环的次数，也就是
    int circle_time = char_len / 4;

    for (int i = 0; i < circle_time; i++)
    {
        ulong_out[i] = ((unsigned long)str_in[i * 4]) |
                      (((unsigned long)str_in[i * 4 + 1]) << 8) |
                      (((unsigned long)str_in[i * 4 + 2]) << 16) | 
                      (((unsigned long)str_in[i * 4 + 3]) << 24);
    }

}


void Transform_64(const unsigned char block[64])
{
/**************************************************
@brief      : 将512bit转换成可以（在小端模式下）按照64bit为单位正确读取的字节序
@param[out] : 无
@param[in]  : const unsigned char block[64] 输入是以字节为单位排序的512bit
**************************************************/
    
    //新建一个512bit的数组用以保存调整好的字节序
    unsigned long Message[16];

    //进行调整
    Decode(Message, block, 64);

    //对调整完的字节序进行主轮函数（每一主轮函数共有64次运算）
    H_getMD5(Message);

}


void H_getMD5(const unsigned long Message[16])
{
/**************************************************
@brief      : 输入一组512bit的数据，进行64次运算，更新State[0]~State[3]
@param[out] : 无
@param[in]  : unsigned long Message[16]，4字节*16=64字节，等于512bit
**************************************************/
    unsigned long   A = State[0], B = State[1], C = State[2], D = State[3];

    unsigned long Func;
    int g;
    for (int i = 0; i < 64; i++) {
        //64次运算，每轮16次
        if (i < 16) {
            //第一轮
            Func = F(B, C, D);
            g = i;
        }
        else if (i < 32) {
            //第二轮
            Func = G(B, C, D);
            g = (5 * i + 1) % 16;
        }
        else if (i < 48) {
            //第三轮
            Func = H(B, C, D);
            g = (3 * i + 5) % 16;
        }
        else {
            //第四轮
            Func = I(B, C, D);
            g = (7 * i) % 16;
        }
        unsigned long temp = D;
        D = C;
        C = B;
        B = B + Left_Shift(A + Func + K_Sin[i] + Message[g], shift_bit[i]);
        A = temp;
    }

    State[0] += A;
    State[1] += B;
    State[2] += C;
    State[3] += D;
}



void Init_State()
/**************************************************
@brief      : 初始化MD5的State[0]、State[1]、State[2]、State[3]，和Count[0]、Count[1]
@param[out] : 无
@param[in]  : 无
**************************************************/
{
    Count[0] = 0;
    Count[1] = 0;
    /* 初始化State[]为各自对应的4个幻数 */
    State[0] = 0x67452301lL;
    State[1] = 0xefcdab89lL;
    State[2] = 0x98badcfelL;
    State[3] = 0x10325476lL;
}

void Update(const unsigned char* input, int inputLen)
/**************************************************
@brief      : 最后一次的512bit运算，要对字符串追加100...00比特流和64bit长度，
              再继续运算即可求得MD5值
@param[out] : 无
@param[in]  : const unsigned char* input 表示要填充进buffer[64]数组里的字符串
@param[in]  : int inputLen 表示要填充进buffer[64]数组里的字符串的长度
**************************************************/
{
    int i,index, partLen;

    /* 用 index 保存未更新前的Count[0]里记录的字节数 */
    index = (unsigned int)((Count[0] >> 3) & 0xFF);

    /* 
     * 更新Count[0],因为要拼接上inputLen长度的字节
     */
    Count[0] += ((unsigned long)inputLen << 3);
    if (Count[0] < ((unsigned long)inputLen << 3))
    {
        //如果小于，说明Count[0]溢出了，所以Count[1]需要加1
        Count[1]++;
    }

    /*
     * Count[1]和Count[0]都是4字节32bit长的，把它们放在一起看，就是一个64bit的长度，
     * Count[1] 增1，表示字符串的bit长度要增加 1*2^32次方，inputLen是要在字符串后面
     * 增加的字符串字节长度，inputLen先<<3，再>>32，就是Count[1]要增加的数目了
     */
    Count[1] += ((unsigned long)inputLen >> 29);

    // partLen表示还缺多少个字节，才够512bit（一组）
    partLen = 64 - index;

    /* Transform as many times as possible.  */
    if (inputLen >= partLen)
    //如果inputLen（要更新的字节数）大于等于缺的字节数，那也意味目前够512bit（一组）了
    {
        //分阶段把数据填入buffer里。因为buffer只有512bit，所以要分批
        memcpy(&buffer[index], input, partLen);
        Transform_64(buffer);

        for (i = partLen; i + 63 <= inputLen; i += 64) 
        {
            Transform_64(&(input[i]));
        }
        index = 0;
    }
    else 
    {
        i = 0;
    }

    /* 
     * 上面的都是按照一整组一整组来处理的，
     * 有可能剩下的，不够一整组，需要对剩下的单独处理， 
     */
    if ((inputLen - i) != 0)
    {
        memcpy(&buffer[index], &input[i], inputLen - i);
    }
}


void Final(unsigned char digest[16])
/**************************************************
@brief      : 最后一次的512bit运算，要对字符串追加100...00比特流和64bit长度，
              再继续运算即可求得MD5值
@param[out] : 无
@param[in]  : unsigned char digest[16] 表示用来存放最终MD5值的字符数组
**************************************************/
{
    unsigned char ulong2uchar[8];
    int char_len, padLen;

    /** 把unsigned long类型的Count数组里的值，转换成在小端模式下，
     ** 使其以usnigned char为单位，也能正常读取。
     **/
    Encode(ulong2uchar, Count, 8);

    /** 填充100000..000的比特流，使得字符串的bit长度 % 512 == 448
     ** 也就是字节的长度 % 64 == 56
     **/

    //Count里存的是字符串的bit长度，>>3的结果是字节长度
    char_len = (int)((Count[0] >> 3) & 0x3f);

    //padLen表示要填充的字节的长度，如果char_len＜56，只需要补齐到56字节就行
    //如果char_len ≥ 56，那么总共的组数就要再多一组（512bit）了，
    //要填充的字节数是（64-（char_len - 56）），也就是（120 - char_len）
    padLen = (char_len < 56) ? (56 - char_len) : (120 - char_len);
    
    /**
     ** 给字符串加上要填充的100..000的bit，只是按照字节的形式填充而已，
     ** padLen是 要填充的bit长度 除以 8，也就是要填充的字节长度
     **/
    Update(PADDING, padLen);

    /**
     ** 给字符串加上64bit（也就是8字节）的长度，
     ** 如果长度大于2^64，只取长度的低64位
     **/
    Update(ulong2uchar, 8);
    
    
    /* 
     ** 把运算出来的最终的State数组，存放在digest里
     ** 同时调成在小端模式下，以字节为单位，也能正确读取出来
     */
    Encode(digest, State, 16);
}



void Data(const unsigned char* data, int len, unsigned char digest[16])
/**************************************************
@brief      : 调度MD5核心算法
@param[out] : 无
@param[in]  : const char* data 表示要进行MD5运算的字符串
@param[in]  : int len 表示要进行MD5运算的字符串的长度
@param[in]  : unsigned char digest[16] 表示用来存放最终MD5值的字符数组
**************************************************/
{
    Init_State(); //初始化State数组和Count数组
    Update(data, len); //把要进行MD5运算的字符串，填写到buffer[64]数组里
    Final(digest);   //最后一次主轮函数，要对字符串追加100...00比特流和64bit长度，
                     //再继续运算即可求得MD5值
}

char* getMD5(const char* data, int len, char* buf)
{

/**************************************************
@brief      : 得到字符串的MD5值
@param[out] : char*  返回一个指向32个小写字符的字符指针，每个字符的范围是（0~f）
@param[in]  : const char* data 表示要进行MD5运算的字符串
@param[in]  : int len 表示要进行MD5运算的字符串的长度
@param[in]  : char* buf 表示用来存放最终MD5值的字符指针
**************************************************/

    unsigned char digest[16];

    Data((const unsigned char*)data, len, digest);
    char* p = buf;
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        *p = "0123456789abcdef"[digest[i] >> 4];
        p++;
        *p = "0123456789abcdef"[digest[i] & 0x0f];
        p++;
    }
    *p = 0;

    return  buf;
}


int main()
{
    char* out = new char[1000];

    const char* str = "0123456789";
    cout << getMD5(str, strlen(str), out) << endl;

    delete[] out;
    return 0;
}

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