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理解Hash算法

发布于2023-08-16 22:48:43，更新于2024-11-13 21:46:15，标签：java hash  文章会持续修订，转载请注明来源地址：https://meethigher.top/blog

哈希值、散列值、hash值，本义都是一样的 hash value ，只不过经过润色翻译后不同罢了。

一、理解

1.1 概念

哈希（Hash）是一种将任意长度的输入数据映射为固定输出长度的算法。

其特点有

  1. 定长：无论输入数据的大小，哈希函数都会产生固定长度的哈希值。
  2. 不可逆性：从哈希值无法逆向推导出原始输入数据。
  3. 雪崩效应：即使输入数据发生轻微变化，其生成的哈希值也会发生巨大变化。
  4. 唯一性：理论上，不同的输入数据应该生成不同的哈希值。但实际上，哈希函数拥有无限的输入空间，却只有有限的输出空间，这意味着哈希函数一定会产生碰撞。

哈希，hash的译文是弄乱的意思，中文润色后也叫散列。

哈希算法，本质就是一种单向散列函数。虽然存在碰撞问题，但该函数的初衷就是不可逆，故依然是单向的。

1.2 应用

哈希的应用场景有

  1. 加密：由于哈希的不可逆特性，特别适用于加密，如MD5算法。在存储用户密码时，不会将明文密码存储在数据库中，而是存储其哈希值。当用户登录时，系统将输入的密码进行哈希运算后与存储的哈希值进行比较，以确保密码的安全性。
  2. 数据校验：如校验两个文件内容是否相同。将两个文件内容作为哈希输入，获取其哈希输出值，若两个的输出值相同，则表示文件相同。同理也可用于文件分片下载后合成文件，比较合成文件，与原文件是否相同。
  3. 负载均衡：如nginx的iphash操作，可以实现相同ip的请求，固定代理到某个节点。将客户端的IP进行哈希计算，得到的哈希值与服务器个数进行取模运算，最终得到的值就是需要节点。
  4. 文件秒传技术：在文件上传过程中，如果上传的文件已经在服务器中存在，那么服务器会直接将已经存在的文件的信息返回给客户端，而不需要客户端再次上传文件，从而实现文件的秒传。比如，将文件压缩成128位的MD5哈希值，只要修改文件内容，MD5码就会改变，用MD5码来判断是否是同一文件，要根据实际情况考虑选择服务端或者客户端计算hash值。

要考虑彩虹表攻击

1.3 彩虹表问题

因为哈希算法相同的输入一定得到相同的输出，所以在某种程度上，将预先计算好的key与对应的hash value存起来作为对照表，就成了彩虹表。

那么如何抵御彩虹表呢？可以对每个key生成时额外添加随机值，这种方法称之为：加盐（salt）

因为加盐是对每个加密的内容中添加额外的随机数，以确保加密内容的更加安全，这个随机性带来更强的安全性的同时也带来了加密内容的随机性，随机到的不同的盐值，加密后的结果天差地别，所以，牢记salt是之后对该加密内容进行验证的关键所在！

1.4 常见hash算法及其工具类

常见的hash算法归类，散列值长度越高，安全性越高。

如md5，散列值为128位，每位的值有0和1之分，故可生成不重复hash值 2^128 个

1个字节等于8位

1个字节等于2个十六进制字符(补0的情况下，因为十六进制最大值F表示1111。而1个字节最大值为1111 1111，即十六进制字符FF)

1个字节可以由0-255的十进制整型来表示

参考理解字节流

算法名称散列值bit长度(byte)备注
MD5128(16)
SHA-1160(20)
SHA-224224(28)
SHA-256256(32)
SHA-384384(48)
SHA-512512(64)
SHA-512/224224(28)由SHA-512算法生成的散列值，截取前224
SHA-512/256256(32)由SHA-512算法生成的散列值，截取前256
SHA3-224224(28)
SHA3-256256(32)
SHA3-384384(48)
SHA3-512512(64)

简单实现其工具类，源码meethigher/hash-utils: 常用的hash签名工具类，支持sm3国密算法

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import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.Provider;
import java.security.Security;
import java.util.Set;

/**
 * 哈希工具类
 *
 * @author chenchuancheng
 * @since 2023/08/28 21:01
 */
public class HashUtils {

    private static final String MD5 = "MD5";
    private static final String SHA_1 = "SHA-1";
    private static final String SHA_224 = "SHA-224";
    private static final String SHA_256 = "SHA-256";
    private static final String SHA_384 = "SHA-384";
    private static final String SHA_512 = "SHA-512";
    private static final String SHA3_224 = "SHA3-224";
    private static final String SHA3_256 = "SHA3-256";
    private static final String SHA3_384 = "SHA3-384";
    private static final String SHA3_512 = "SHA3-512";
    private static final String SHA3_512_224 = "SHA3-512/224";
    private static final String SHA3_512_256 = "SHA3-512/256";

    /**
     * 中国国密算法。需要自己注册对应的Provider
     */
    private static final String SM3 = "SM3";

    static {
        try {
            // 若支持，则注册中国国密算法
            Security.addProvider((Provider) Class.forName("org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider")
                    .getConstructor()
                    .newInstance());
        } catch (Exception e) {

        }
    }


    /**
     * 列举出jdk可用的hash算法
     */
    private static void listJDKAvailableAlgorithms() {
        // 获取所有已注册的安全提供程序
        Provider[] providers = Security.getProviders();
        for (Provider provider : providers) {
            System.out.println("Provider: " + provider.getName());
            Set<Object> keys = provider.keySet();
            for (Object key : keys) {
                System.out.println("  Algorithm: " + provider.get(key));
            }
        }
    }

    /**
     * 转换对象到字节数组
     *
     * @param o 对象
     * @return {@link byte[]}
     */
    public static byte[] convertObjectToBytes(Object o) {
        try (ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream()) {
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
            oos.writeObject(o);
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    /**
     * 摘要十六进制字符串
     *
     * @param algorithm       算法
     * @param dataToHashBytes 需要散列的数据
     * @param saltBytes       盐, 相当于在dataToHashBytes后面直接追加了saltBytes
     * @return {@link String}
     * @throws NoSuchAlgorithmException 没有这样算法异常
     */
    /**
     * 摘要十六进制字符串
     *
     * @param algorithm       算法
     * @param dataToHashBytes 需要散列的数据
     * @param saltBytes       盐, 相当于在dataToHashBytes后面直接追加了saltBytes
     * @return {@link String}
     * @throws NoSuchAlgorithmException 没有这样算法异常
     */
    public static String digestHexString(String algorithm, byte[] dataToHashBytes, byte[] saltBytes) throws NoSuchAlgorithmException {
        byte[] digest = digestBytes(algorithm, dataToHashBytes, saltBytes);
        return bytes2HexString(digest);
    }

    /**
     * 将偶数位16进制转换为字节数组
     */
    public static byte[] hexString2Bytes(String hexString) {
        // 检查输入字符串的有效性
        if (hexString == null || hexString.length() % 2 != 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid hex string");
        }

        // 将十六进制字符串转换为字节数组
        int len = hexString.length();
        byte[] byteArray = new byte[len / 2];
        for (int i = 0; i < len; i += 2) {
            byteArray[i / 2] = (byte) ((Character.digit(hexString.charAt(i), 16) << 4)
                    + Character.digit(hexString.charAt(i + 1), 16));
        }

        return byteArray;
    }


    /**
     * 将字节数组转换为偶数位16进制
     */
    public static String bytes2HexString(byte[] digest) {
        // 将哈希值转换为十六进制字符串
        StringBuilder hexStringBuilder = new StringBuilder();
        for (byte b : digest) {
//            String hexString = Integer.toHexString(b & 0xff);
//            hexStringBuilder.append(hexString);//这个做法转换出来的，比如0f,只会显示为f，并不会补0
            /**
             * 将byte转换为十六进制字符串
             * 0-结果不足指定宽度时，用0填充
             * 2-宽度为2
             * @see https://stackoverflow.com/questions/2817752/java-code-to-convert-byte-to-hexadecimal
             */
            String hexString = String.format("%02x", b);
            hexStringBuilder.append(hexString);
        }
        return hexStringBuilder.toString();
    }

    /**
     * 字节
     *
     * @param algorithm       算法
     * @param dataToHashBytes 数据
     * @param saltBytes       盐
     * @return {@link byte[]}
     * @throws NoSuchAlgorithmException 没有这样算法异常
     */
    public static byte[] digestBytes(String algorithm, byte[] dataToHashBytes, byte[] saltBytes) throws NoSuchAlgorithmException {
        MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance(algorithm);
        messageDigest.update(dataToHashBytes);
        if (!(saltBytes == null || saltBytes.length <= 0)) {
            //相当于在原内容dataToHashBytes上，追加了saltBytes
            messageDigest.update(saltBytes);
        }
        return messageDigest.digest();
    }

    public static String digestHexStringByMD5(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(MD5, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringByMD5(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(MD5, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA1(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_1, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA1(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_1, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA224(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_224, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA224(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_224, dataToHash, null);
    }


    public static String digestHexStringBySHA256(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_256, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA256(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_256, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA384(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_384, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA384(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_384, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA512(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_512, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA512(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA_512, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_224(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_224, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_224(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_224, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_256(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_256, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_256(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_256, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_384(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_384, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_384(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_384, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_512(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_512, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_512(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_512, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_512_224(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_512_224, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_512_224(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_512_224, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_512_256(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_512_256, dataToHash, salt);
    }

    public static String digestHexStringBySHA3_512_256(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SHA3_512_256, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySM3(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SM3, dataToHash, null);
    }

    public static String digestHexStringBySM3(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestHexString(SM3, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesByMD5(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(MD5, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesByMD5(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(MD5, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA1(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_1, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA1(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_1, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA224(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_224, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA224(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_224, dataToHash, null);
    }


    public static byte[] digestBytesBySHA256(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_256, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA256(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_256, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA384(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_384, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA384(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_384, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA512(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_512, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA512(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA_512, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_224(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_224, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_224(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_224, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_256(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_256, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_256(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_256, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_384(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_384, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_384(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_384, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_512(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_512, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_512(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_512, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_512_224(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_512_224, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_512_224(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_512_224, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_512_256(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_512_256, dataToHash, salt);
    }

    public static byte[] digestBytesBySHA3_512_256(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SHA3_512_256, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySM3(byte[] dataToHash) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SM3, dataToHash, null);
    }

    public static byte[] digestBytesBySM3(byte[] dataToHash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException {
        return digestBytes(SM3, dataToHash, salt);
    }
}

二、参考

什么是哈希算法？ - 知乎

什么是哈希算法？ - 知乎

java - 一文搞懂单向散列加密：MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-3 - 个人文章 - SegmentFault 思否

哈希(Hash)算法以及应用场景 - 知乎

哈希算法总结（含哈希算法工具类的封装）_猿究院杨树林的博客-CSDN博客

文件上传下载系列——如何实现文件秒传_秒传格式_夏诗曼CharmaineXia的博客-CSDN博客

发布：2023-08-16 22:48:43
修改：2024-11-13 21:46:15
链接：https://meethigher.top/blog/2023/hash/
标签：java hash 
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