用Python加密檔案

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 等便于使用的加密庫。

但對于日常學習而言，我們可以借助異或操作，實作一個簡單的檔案加密程式，進而強化自身的程式設計能力。記得給公衆号加個星标，不會錯過精彩内容。

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制數滿足的性質：

一位二進制數與自身的異或值為 0

b ^ b = 0

異或操作滿足交換律

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

0 與 a 的異或為 a

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

易知，對任意長二進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：

首先将檔案轉換成二進制數，再生成與該二進制數等長的随機密鑰，将二進制數與密鑰進行異或操作，得到加密後的二進制數。

解密操作：

将加密後的二進制程式與密鑰進行異或操作，就得到原二進制數，最後将原二進制數恢複成文本檔案。

生成随機密鑰：

secrets 庫是 Python 3.6 引入的僞随機數子產品，适合生成随機密鑰。token_bytes 函數接受一個 int 參數，用于指定随機位元組串的長度。int.from_bytes 把位元組串轉換為 int，也就是我們需要的二進制數。

from secrets import token_bytes

def random_key(length):

key = token_bytes(nbytes=length)
key_int = int.from_bytes(key, 'big')
return key_int           

加密單元:

encrypt 函數接受一個 str 對象，傳回元組 (int, int)。通過 encode 方法，我們将字元串編碼成位元組串。int.from_bytes 函數将位元組串轉換為 int 對象。最後對二進制對象和随機密鑰進行異或操作，就得到了加密文本。

def encrypt(raw):

raw_bytes = raw.encode()
raw_int = int.from_bytes(raw_bytes, 'big')
key_int = random_key(len(raw_bytes))
return raw_int ^ key_int, key_int           

解密單元：

decrypt 接受兩個 int 對象，分别為加密文本和随機密鑰。首先對兩者進行異或操作，計算解密出來的 int 對象所占比特數。decrypted.bit_length 函數得到的是二進制數的位數，除以 8 可以得到所占比特大小。為了防止，1 ~ 7 位的二進制數整除 8 得到 0，是以要加上 7，然後再進行整除 8 的操作。使用 int.to_bytes 函數将解密之後的 int 的對象轉換成 bytes 對象。最後通過 decode 方法，将位元組串轉換成字元串。

def decrypt(encrypted, key_int):

decrypted = encrypted ^ key_int
length = (decrypted.bit_length() + 7) // 8
decrypted_bytes = int.to_bytes(decrypted, length, 'big') 
return decrypted_bytes.decode()           

利用上述函數，我們可以很輕松對文本檔案進行加密、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'

加密文本檔案

path 為待加密檔案的位址，如果不指定密鑰位址，則在該目錄下建立目錄和檔案。

import json

from pathlib import Path

def encrypt_file(path, 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'
if not 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, key_path=None, *, encoding='utf-8'):

path_encrypted = Path(path_encrypted)
cwd = path_encrypted.cwd()
path_decrypted = cwd / 'decrypted' 
if not 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)           

執行完加密、解密檔案操作，得到的解密檔案與原檔案相同，示意圖如下：