一、SHA256算法介绍

SHA(Secure Hash Algorithm)算法是一种用于加密的哈希算法，最初由美国国家安全局(NSA)在1993年推出。SHA有几个版本，其中SHA-256就是SHA-2家族中的一员，被广泛应用于各种加密场景中。SHA-256输出一串256位的哈希值，其安全性主要在于哈希值的长度及算法的复杂度。该算法采用了一些定长的消息及该消息的哈希值，整个算法的工作流程由“预处理-消息扩展-哈希计算-结果输出”四个部分组成。

二、SHA256算法实现

1. 消息预处理

SHA-256算法对消息进行预处理，以标准化消息格式和附加一些元数据。具体细节如下：

static void sha256_prepad(sha256_t* hash, size_t nbytes, uint32_t* N) {
    if(nbytes size - hash->len) {
        memcpy(hash->blk + hash->len, hash->pad, nbytes);
        hash->len += (uint32_t) nbytes;
        return;
    }
    else if(hash->len size) {
        memset(hash->blk + hash->len, 0, hash->blk_sz - hash->len);
        memcpy(hash->blk + hash->len, hash->pad, hash->size - hash->len);
        *N += 1;
        sha256_block(hash, hash->blk, hash->blk_sz);
        hash->len = 0;
    }
    while(nbytes > hash->size - hash->len) {
        *N += 1;
        sha256_block(hash, data, hash->blk_sz);
        nbytes -= hash->blk_sz;
    }
    memcpy(hash->blk + hash->len, data, nbytes);
    hash->len += (uint32_t) nbytes;
}

2. 消息扩展

哈希函数需要采用消息扩展技术将输入消息转换为固定长度的哈希值。步骤如下：

static void sha256_extend(sha256_t* hash) {
    for(int i = 16; i w[i - 15], 7) ^ rightrotate(hash->w[i - 15], 18) ^ (hash->w[i - 15] >> 3);
        uint32_t S0 = rightrotate(hash->w[i - 2], 17) ^ rightrotate(hash->w[i - 2], 19) ^ (hash->w[i - 2] >> 10);
        hash->w[i] = hash->w[i - 16] + S1 + hash->w[i - 7] + S0;
    }
}

3. 哈希计算

SHA-256算法的核心是基于处理256位块的循环结构。它包含两个主要的部分：变换和更新哈希值。具体实现如下：

void sha256_block(sha256_t* hash, const uint8_t* block, size_t size) {
    uint32_t A = hash->h[0];
    uint32_t B = hash->h[1];
    uint32_t C = hash->h[2];
    uint32_t D = hash->h[3];
    uint32_t E = hash->h[4];
    uint32_t F = hash->h[5];
    uint32_t G = hash->h[6];
    uint32_t H = hash->h[7];
    for(int i = 0; i w[i];
        H = G;
        G = F;
        F = E;
        E = D + t1;
        D = C;
        C = B;
        B = A;
        A = t1 + t2;
    }
    hash->h[0] += A;
    hash->h[1] += B;
    hash->h[2] += C;
    hash->h[3] += D;
    hash->h[4] += E;
    hash->h[5] += F;
    hash->h[6] += G;
    hash->h[7] += H;
}

三、SHA256算法应用示例

1. 加密字符串

// 算法核心代码
char* sha256(const char* data) {
    sha256_t hash;
    sha256_init(&hash);
    size_t length = strlen(data);
    sha256_prepad(&hash, length, &N);
    sha256_finalize(&hash, N);
    return sha256_hexdigest(&hash);
}
// 用例代码
int main() {
    char* data = "Hello, Hash Algo!";
    char* digest = sha256(data);
    printf("Input: %s\n", data);
    printf("Digest: %s\n", digest);
    free(digest);
    return 0;
}

2. 加密文件

// 算法核心代码
char* sha256_file(const char* filename) {
    FILE* fp = fopen(filename, "rb");
    if(!fp) return NULL;
    sha256_t hash;
    sha256_init(&hash);
    uint8_t block[BLOCK_SIZE];
    size_t nbytes;
    while((nbytes = fread(block, sizeof(uint8_t), BLOCK_SIZE, fp)) > 0) {
        sha256_block(&hash, block, nbytes);
    }
    fclose(fp);
    sha256_finalize_file(&hash, filename);
    return sha256_hexdigest(&hash);
}
// 用例代码
int main() {
    char* filename = "test.txt";
    char* digest = sha256_file(filename);
    printf("File: %s\n", filename);
    printf("Digest: %s\n", digest);
    free(digest);
    return 0;
}

四、总结

本文重点阐述了SHA256算法的原理以及如何通过C语言实现该算法，同时给出了加密字符串和文件的示例代码。SHA256算法被广泛应用于信息安全领域，其安全性主要在于哈希值的长度及算法的复杂度。对于开发者而言，正确、高效地实现SHA256算法是必不可少的。