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[Java教程]加密解密基础问题:字节数组和(16进制)字符串的相互转换


在加密时,一般加密算法和hash算法,它们操作的都是字节数组,对字节数组按照加密算法进行各种变换,运算,得到的结果也是字节数组。而我们一般是要求对字符串进行加密,所以就涉及到字符串String到 byte[] 的转换,这个很简单。同时在解密时,也涉及到字节数组byte[] 到 String 的转换。另外在对用户的密码进行hash加密之后,最终是要保存在数据库中,所以加密得到 byte[] 也要转换到 String.

1. String 到 byte[] 的转换很简单,因为String类有直接的函数:

  public byte[] getBytes(Charset charset) {    if (charset == null) throw new NullPointerException();    return StringCoding.encode(charset, value, 0, value.length);  }  /**   * Encodes this {@code String} into a sequence of bytes using the   * platform's default charset, storing the result into a new byte array.   *   * @return The resultant byte array   *   * @since   JDK1.1   */  public byte[] getBytes() {    return StringCoding.encode(value, 0, value.length);  }

2. 但是,byte[] 到String 的转换却没有那么简单

其原因是,我们不能简单的使用使用String的函数:

   /**   * Constructs a new {@code String} by decoding the specified array of bytes   * using the platform's default charset. The length of the new {@code   * String} is a function of the charset, and hence may not be equal to the   * length of the byte array.   *   * <p> The behavior of this constructor when the given bytes are not valid   * in the default charset is unspecified. The {@link   * java.nio.charset.CharsetDecoder} class should be used when more control   * over the decoding process is required.*/  public String(byte bytes[]) {    this(bytes, 0, bytes.length);  }  /**   * Constructs a new {@code String} by decoding the specified array of   * bytes using the specified {@linkplain java.nio.charset.Charset charset}.   * The length of the new {@code String} is a function of the charset, and   * hence may not be equal to the length of the byte array.   *   * <p> This method always replaces malformed-input and unmappable-character   * sequences with this charset's default replacement string. The {@link   * java.nio.charset.CharsetDecoder} class should be used when more control   * over the decoding process is required.*/  public String(byte bytes[], Charset charset) {    this(bytes, 0, bytes.length, charset);  }

也就是不能使用 new String(byte); 也不能使用 new String(byte, charset).

为什么呢?

很简单因为, MD5, SHA-256, SHA-512 等等算法,它们是通过对byte[] 进行各种变换和运算,得到加密之后的byte[],那么这个加密之后的 byte[] 结果显然 就不会符合任何一种的编码方案,比如 utf-8, GBK等,因为加密的过程是任意对byte[]进行运算的。所以你用任何一种编码方案来解码 加密之后的 byte[] 结果,得到的都会是乱码

那么,我们该如何将加密的结果 byte[] 转换到String呢?

首先,我们要问一下,为什么要将加密得到的 byte[] 转换到 String ?

答案是因为一是要对加密的结果进行存储,比如存入数据库中,二是在单向不可逆的hash加密算法对密码加密时,我们需要判断用户登录的密码是否正确,那么就涉及到两个加密之后的byte[] 进行比较,看他们是否一致。两个 byte[] 进行比较,可以一次比较一个单字节,也可以一次比较多个字节。也可以转换成String, 然后比较两个String就行了。因为加密结果要进行存储,所以其实都是选择转换成String来进行比较的。

加密解密时,采用的byte[] 到 String 转换的方法都是将 byte[] 二进制利用16进制的char[]来表示,每一个 byte 是8个bit,每4个bit对应一个16进制字符。所以一个 byte 对应于两个 16进制字符:

public class HexUtil {  private static final char[] DIGITS = {      '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7',      '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'  };  public static String encodeToString(byte[] bytes) {    char[] encodedChars = encode(bytes);    return new String(encodedChars);  }  public static char[] encode(byte[] data) {    int l = data.length;    char[] out = new char[l << 1];    // two characters form the hex value.    for (int i = 0, j = 0; i < l; i++) {      out[j++] = DIGITS[(0xF0 & data[i]) >>> 4];      out[j++] = DIGITS[0x0F & data[i]];    }    return out;  }

我们知道16进制表达方式是使用 0-9 abcdef 这16个数字和字母来表示 0-15 这16个数字的。而显然我们在String转化时,可以用字符 '0' 来表示 数字0, 可以用 '1' 来表示 1,可以用 'f' 来表示15.

所以上面我们看到16进制使用 "0-9abcdef' 16个字符来表示 0-15 这个16个数字。主要的转换过程是 public static char[] encode(byte[] data)函数:

 int l = data.length;  char[] out = new char[l << 1]; 这两句是初始化一个 char[] 数组,其数组的大小是 byte[] 参数大小的两倍,因为每一个byte[] 转换到到2位16进制的char[]。

(0xF0 & data[i]) >>> 4 表示先使用0xF0 & data[i], 去除了低4位上的值(其实这一步是多余的),然后右移4位,得到byte[] 数组中 第 i 个 byte 的 高 4位,然后通过 DIGITS[] 数组,得到高4为对应的字符;

DIGITS[0x0F & data[i]] 表示先使用 0x0F & data[i], 去除了高4位上的值,也就得到了低4为代表的大小,然后通过 DIGITS[] 数组,得到低4为对应的字符;

通过这种方式,就可以讲 byte[] 数组转换成16进制字符表示的 char[]。最后 new String(encodedChars); 得到String类型的结果.

所以最后的String是由:'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' 这16个字符组成的String, 不含有任何其的字母。比如不会g,h,jklmn.....等等。

3. 反向转换:String 到 byte[]

上面我们实现了 byte[] 到 String 的转换,编码方案使用的是16进制编码。那么如何进行反向解码呢?也就是将16进制编码的String转换成原来的byte[]呢?

  /**   * Converts the specified Hex-encoded String into a raw byte array. This is a   * convenience method that merely delegates to {@link #decode(char[])} using the   * argument's hex.toCharArray() value.   *   * @param hex a Hex-encoded String.   * @return A byte array containing binary data decoded from the supplied String's char array.   */  public static byte[] decode(String hex) {    return decode(hex.toCharArray());  }  /**   * Converts an array of characters representing hexidecimal values into an   * array of bytes of those same values. The returned array will be half the   * length of the passed array, as it takes two characters to represent any   * given byte. An exception is thrown if the passed char array has an odd   * number of elements.   *   * @param data An array of characters containing hexidecimal digits   * @return A byte array containing binary data decoded from   *     the supplied char array.   * @throws IllegalArgumentException if an odd number or illegal of characters   *                 is supplied   */  public static byte[] decode(char[] data) throws IllegalArgumentException {    int len = data.length;    if ((len & 0x01) != 0) {      throw new IllegalArgumentException("Odd number of characters.");    }    byte[] out = new byte[len >> 1];    // two characters form the hex value.    for (int i = 0, j = 0; j < len; i++) {      int f = toDigit(data[j], j) << 4;      j++;      f = f | toDigit(data[j], j);      j++;      out[i] = (byte) (f & 0xFF);    }    return out;  }
    protected static int toDigit(char ch, int index) throws IllegalArgumentException {
        int digit = Character.digit(ch, 16);
        if (digit == -1) {
            throw new IllegalArgumentException("Illegal hexadecimal charcter " + ch + " at index " + index);
        }
        return digit;
    }

要将16进制编码的String转换成原来的byte[],第一步是将 String 类型转换到 char[] 数组,也就是将 "10ae4f" 转换成 ['1','0','a','e','4','f'],然后将没两个相连的 char 转化成一个 byte. 显然 char[] 数组的大小必须是偶数的。

byte[] out = new byte[len >> 1]; byte[] 结果是 char[] 大小的一半大。

toDigit(data[j], j) << 4 表示:toDigit() 将一个字符转换成16进制的int大小,也就是将 '0' 转换成数字0,将'f' 转换成数字 f, 然后左移4位,成为byte[]的高4位;

f = f | toDigit(data[j], j); 表示先得到字符对应的数字,然后做为低4位,和高4为合并(使用 | 操作符)为一个完整的8位byte.

out[i] = (byte) (f & 0xFF); 只保留8位,将多余高位去掉。

其实就是上面的反向过程而已。

4. 例子

public class EncodeTest {  public static void main(String[] args){    String str = "???hello/sasewredfdd>>>. Hello 世界!";     System.out.println("str.getBytes()=" + str.getBytes());    System.out.println("Base64=" + Base64.encodeToString(str.getBytes()));        String hexStr = HexUtil.encodeToString(str.getBytes());  //str.getBytes(Charset.forName("utf-8"));        System.out.println("hexStr=" + hexStr);    String orignalStr = new String(str.getBytes());   //new String(str.getBytes(), Charset.forName("utf-8"));    System.out.println("orignalStr=" + orignalStr);    String str2 = new String(HexUtil.decode(hexStr));    System.out.println("str2=" + str2);    System.out.println(str.equals(str2));        String sha = new SimpleHash("sha-256", str, "11d23ccf28fc1e8cbab8fea97f101fc1d", 2).toString();    System.out.println("sha=" + sha);  }}

结果:

str.getBytes()=[B@19e0bfdBase64=Pz8/aGVsbG8vc2FzZXdyZWRmZGQ+Pj4uIEhlbGxvIOS4lueVjO+8gQ==hexStr=3f3f3f68656c6c6f2f73617365777265646664643e3e3e2e2048656c6c6f20e4b896e7958cefbc81orignalStr=???hello/sasewredfdd>>>. Hello 世界!str2=???hello/sasewredfdd>>>. Hello 世界!truesha=37a9715fecb5e2f9812d4a02570636e3d5fe476fc67ac34bc824d6a8f835635d

最后的 new SimpleHash("sha-256", str, "11d23ccf28fc1e8cbab8fea97f101fc1d", 2).toString() ,其 .toString() 方法就是使用的 16进制的编码将hash加密之后的 byte[] 转换成 16进制的字符串。

我们看得到的结果:37a9715fecb5e2f9812d4a02570636e3d5fe476fc67ac34bc824d6a8f835635d

全部由'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' 这16个字符组成。不含其他任何字符。

上面我们也有Base64的编码方案:

Base64.encodeToString(str.getBytes())

它其实是使用 a-z, A-Z, 0-9, /, + 这64个字符来进行编码的,0-63分别对应用前面的64个字符来表示。

其编码结果的特点是:末尾可能有1个或者2个 = :

Pz8/aGVsbG8vc2FzZXdyZWRmZGQ+Pj4uIEhlbGxvIOS4lueVjO+8gQ==

其原因是,Base64编码算法是每次处理byte[]数组中三个连续的byte,那么就有可能 byte[] 数组不是3的整数倍,那么余数就有可能是1,或者2,所以就分别使用 一个 = 和两个 = 来进行填充。

所以:

Base64的编码其特点就是可能末尾有一个或者两个=,可能含有 / 和 + 字符。

16进制编码的特点是全部由'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' 这16个字符组成,不含其他字母。

加密算法都是对byte[]进行变换和运算。

有 String 转换得到的 byte[] 就一定可以使用原来的编码方案转换成原来的 String,

但是加密的结果 byte[] 却不能用任何字符编码方案得到String, 一般使用16进制编码成String,然后进行存储或者比较。