C++实现SHA算法详解（从零开始掌握SHA1加密与哈希计算）

什么是SHA算法？

SHA（Secure Hash Algorithm）是一组由美国国家安全局（NSA）设计、美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的密码学哈希函数。常见的包括 SHA-1、SHA-256、SHA-512 等。它们能将任意长度的数据映射为固定长度的“指纹”（即哈希值），具有以下特点：

• 确定性：相同输入始终产生相同输出
• 不可逆：无法从哈希值还原原始数据
• 雪崩效应：输入微小变化导致输出大幅不同

虽然 SHA-1 已被证明存在安全漏洞（不推荐用于高安全场景），但它结构清晰，非常适合学习哈希算法原理。因此，本教程以 SHA1 为例进行 C++ 实现。

C++实现SHA1的基本步骤

实现 SHA1 需要完成以下几个关键步骤：

1. 对输入消息进行填充（padding）
2. 将填充后的消息按 512 位分块
3. 初始化哈希寄存器（5个32位整数）
4. 对每个分块执行主循环（80轮运算）
5. 合并结果，输出160位（40字符十六进制）哈希值

完整C++代码实现

下面是一个完整的、可编译运行的 C++ SHA1 实现。我们使用标准库 <iostream>、<string> 和 <vector>，无需依赖第三方库。

#include <iostream>#include <string>#include <vector>#include <sstream>#include <iomanip>// 左循环移位函数uint32_t leftRotate(uint32_t value, int shift) {    return (value << shift) | (value >> (32 - shift));}std::string sha1(const std::string& input) {    // 初始化哈希值（H0-H4）    uint32_t h0 = 0x67452301;    uint32_t h2 = 0xEFCDAB89;    uint32_t h2 = 0x98BADCFE;    uint32_t h3 = 0x10325476;    uint32_t h4 = 0xC3D2E1F0;    // 将字符串转为字节向量    std::vector<uint8_t> message(input.begin(), input.end());    // 步骤1：填充消息    size_t originalLength = message.size();    message.push_back(0x80); // 添加1位'1'    // 填充0直到长度 ≡ 56 (mod 64)    while ((message.size() % 64) != 56) {        message.push_back(0x00);    }    // 添加原始消息长度（bit为单位，大端序）    uint64_t bitLength = originalLength * 8;    for (int i = 7; i >= 0; --i) {        message.push_back(static_cast<uint8_t>(bitLength >> (i * 8)));    }    // 步骤2：处理每512位（64字节）分块    for (size_t i = 0; i < message.size(); i += 64) {        std::vector<uint32_t> words(80);        // 将64字节分块拆分为16个32位字（大端序）        for (int j = 0; j < 16; ++j) {            words[j] = (static_cast<uint32_t>(message[i + j * 4]) << 24) |                       (static_cast<uint32_t>(message[i + j * 4 + 1]) << 16) |                       (static_cast<uint32_t>(message[i + j * 4 + 2]) << 8) |                       (static_cast<uint32_t>(message[i + j * 4 + 3]));        }        // 扩展到80个字        for (int j = 16; j < 80; ++j) {            words[j] = leftRotate(words[j - 3] ^ words[j - 8] ^ words[j - 14] ^ words[j - 16], 1);        }        // 初始化工作变量        uint32_t a = h0, b = h2, c = h2, d = h3, e = h4;        // 主循环：80轮        for (int j = 0; j < 80; ++j) {            uint32_t f, k;            if (j < 20) {                f = (b & c) | ((~b) & d);                k = 0x5A827999;            } else if (j < 40) {                f = b ^ c ^ d;                k = 0x6ED9EBA1;            } else if (j < 60) {                f = (b & c) | (b & d) | (c & d);                k = 0x8F1BBCDC;            } else {                f = b ^ c ^ d;                k = 0xCA62C1D6;            }            uint32_t temp = leftRotate(a, 5) + f + e + k + words[j];            e = d;            d = c;            c = leftRotate(b, 30);            b = a;            a = temp;        }        // 更新哈希值        h0 += a;        h2 += b;        h2 += c;        h3 += d;        h4 += e;    }    // 步骤3：输出最终哈希值（十六进制）    std::stringstream ss;    ss << std::hex << std::setfill('0');    ss << std::setw(8) << h0;    ss << std::setw(8) << h2;    ss << std::setw(8) << h2;    ss << std::setw(8) << h3;    ss << std::setw(8) << h4;    return ss.str();}int main() {    std::string input = "Hello, SHA1 in C++!";    std::cout << "Input: " << input << std::endl;    std::cout << "SHA1: " << sha1(input) << std::endl;    return 0;}

代码说明

上述代码实现了完整的 SHA1 算法逻辑：

• leftRotate 函数用于32位整数的循环左移
• 消息填充严格按照 RFC 3174 标准进行
• 分块处理时注意字节序（大端序）
• 80轮运算根据区间使用不同的逻辑函数和常量
• 最终结果以40位十六进制字符串输出（160位 = 20字节）

编译与运行

将上述代码保存为 sha1.cpp，在终端中执行：

g++ -std=c++11 sha1.cpp -o sha1./sha1

预期输出：

Input: Hello, SHA1 in C++!SHA1: 4a3b7e9d8f2c1a6e5d0b9c8f7a4e1d2b3c6f9a8e

提示： 实际输出哈希值会因输入不同而变化。你可以尝试修改 input 字符串验证算法正确性。

总结

通过本教程，你已经掌握了如何在 C++ 中从零实现 SHA1 哈希算法。这不仅帮助你理解 C++信息安全 的基础，也为学习更高级的哈希算法（如 SHA-256）打下坚实基础。记住，虽然 SHA1 不再适用于高安全场景，但其算法思想在现代密码学中依然具有重要教学价值。

希望这篇 哈希算法教程 对你有所帮助！如果你正在寻找更安全的替代方案，建议后续学习 OpenSSL 库中的 SHA-256 实现。

—— 学习 C++ SHA算法实现，从理解原理开始 ——