一：概述
MD5算法是一种广泛使用的哈希函数，可生成 128位哈希值。MD5 由Ronald Rivest于 1991 年设计，用于取代早期的哈希函数MD4。MD5 算法是把任意长度的字节流 → 通过固定的非线性函数 + 位运算 → 压缩成 128 bit 状态。
MD5 可作为校验和算法，用于验证数据完整性并检测意外的数据损坏。历史上，它曾被广泛用作加密哈希函数，但随后人们发现其存在多种安全漏洞。因此，MD5 已不再适用于安全敏感场景。不过，在非加密用途下，MD5 仍然具有一定价值，例如用于确定分区数据库中某个键所属的分区。由于其计算开销低于较新的安全哈希算法，在对安全性要求不高的场合，MD5 仍更受青睐。
二：算法原理
MD5 是一种将任意长度消息映射为固定长度输出的哈希算法，其输出长度为 128 位。算法首先将输入消息划分为若干个 512 位的数据块，每个数据块由 16 个 32 位字组成。为满足分组处理的要求，消息在处理前需要进行填充，使其总长度成为 512 的整数倍。
填充过程如下：首先在消息末尾附加一个值为 1 的比特；随后添加若干个值为 0 的比特，使填充后的消息长度比 512 的倍数少 64 位；最后，用 64 位表示原始消息长度（2的64次方取模）并附加到消息末尾。
MD5 的核心算法维护一个 128 位的内部状态，该状态由四个 32 位字组成，通常记为 A、B、C 和 D。这些状态变量在算法开始时被初始化为固定的常量。随后，算法依次处理每一个 512 位消息块，并在此过程中不断更新内部状态。
每个消息块的处理过程由四个相似的阶段组成，称为“轮”。每一轮包含 16 个基本操作，这些操作基于非线性布尔函数、在 32 位无符号整数范围内进行加法运算，溢出部分被丢弃；循环左移运算则是在保持位数不变的情况下，将移出的高位重新补回到低位。算法共定义了四种不同的非线性函数，每一轮使用其中一种。
三：代码
#include <stdint.h> #include <string.h> #include <stdio.h> /* ===== MD5 四个非线性函数 ===== */ #define F(x,y,z) ((x & y) | (~x & z)) #define G(x,y,z) ((x & z) | (y & ~z)) #define H(x,y,z) (x ^ y ^ z) #define I(x,y,z) (y ^ (x | ~z)) static inline uint32_t rol(uint32_t x, uint32_t n) { return (x << n) | (x >> (32 - n)); } /* ===== 常量 ===== */ static const uint32_t K[64] = { 0xd76aa478,0xe8c7b756,0x242070db,0xc1bdceee, 0xf57c0faf,0x4787c62a,0xa8304613,0xfd469501, 0x698098d8,0x8b44f7af,0xffff5bb1,0x895cd7be, 0x6b901122,0xfd987193,0xa679438e,0x49b40821, 0xf61e2562,0xc040b340,0x265e5a51,0xe9b6c7aa, 0xd62f105d,0x02441453,0xd8a1e681,0xe7d3fbc8, 0x21e1cde6,0xc33707d6,0xf4d50d87,0x455a14ed, 0xa9e3e905,0xfcefa3f8,0x676f02d9,0x8d2a4c8a, 0xfffa3942,0x8771f681,0x6d9d6122,0xfde5380c, 0xa4beea44,0x4bdecfa9,0xf6bb4b60,0xbebfbc70, 0x289b7ec6,0xeaa127fa,0xd4ef3085,0x04881d05, 0xd9d4d039,0xe6db99e5,0x1fa27cf8,0xc4ac5665, 0xf4292244,0x432aff97,0xab9423a7,0xfc93a039, 0x655b59c3,0x8f0ccc92,0xffeff47d,0x85845dd1, 0x6fa87e4f,0xfe2ce6e0,0xa3014314,0x4e0811a1, 0xf7537e82,0xbd3af235,0x2ad7d2bb,0xeb86d391 }; static const uint32_t S[64] = { 7,12,17,22, 7,12,17,22, 7,12,17,22, 7,12,17,22, 5, 9,14,20, 5, 9,14,20, 5, 9,14,20, 5, 9,14,20, 4,11,16,23, 4,11,16,23, 4,11,16,23, 4,11,16,23, 6,10,15,21, 6,10,15,21, 6,10,15,21, 6,10,15,21 }; /* ===== MD5 上下文 ===== */ typedef struct { uint32_t state[4]; uint64_t bitlen; uint8_t buffer[64]; size_t buflen; } md5_ctx; /* ===== 单个 512-bit 块处理 ===== */ static void md5_process_block(md5_ctx* ctx, const uint8_t block[64]) { uint32_t A = ctx->state[0]; uint32_t B = ctx->state[1]; uint32_t C = ctx->state[2]; uint32_t D = ctx->state[3]; uint32_t M[16]; /* little-endian 解析 */ for (int i = 0; i < 16; i++) { M[i] = (uint32_t)block[i * 4] | ((uint32_t)block[i * 4 + 1] << 8) | ((uint32_t)block[i * 4 + 2] << 16) | ((uint32_t)block[i * 4 + 3] << 24); } for (int i = 0; i < 64; i++) { uint32_t Fv, g; if (i < 16) { Fv = F(B, C, D); g = i; } else if (i < 32) { Fv = G(B, C, D); g = (5 * i + 1) % 16; } else if (i < 48) { Fv = H(B, C, D); g = (3 * i + 5) % 16; } else { Fv = I(B, C, D); g = (7 * i) % 16; } uint32_t tmp = D; D = C; C = B; B = B + rol(A + Fv + K[i] + M[g], S[i]); A = tmp; } ctx->state[0] += A; ctx->state[1] += B; ctx->state[2] += C; ctx->state[3] += D; } /* ===== 接口函数 ===== */ void md5_init(md5_ctx* ctx) { ctx->state[0] = 0x67452301; ctx->state[1] = 0xefcdab89; ctx->state[2] = 0x98badcfe; ctx->state[3] = 0x10325476; ctx->bitlen = 0; ctx->buflen = 0; } void md5_update(md5_ctx* ctx, const uint8_t* data, size_t len) { ctx->bitlen += (uint64_t)len * 8; while (len--) { ctx->buffer[ctx->buflen++] = *data++; if (ctx->buflen == 64) { md5_process_block(ctx, ctx->buffer); ctx->buflen = 0; } } } void md5_final(md5_ctx* ctx, uint8_t out[16]) { size_t i = ctx->buflen; ctx->buffer[i++] = 0x80; if (i > 56) { memset(ctx->buffer + i, 0, 64 - i); md5_process_block(ctx, ctx->buffer); i = 0; } memset(ctx->buffer + i, 0, 56 - i); for (int j = 0; j < 8; j++) ctx->buffer[56 + j] = (ctx->bitlen >> (8 * j)) & 0xff; md5_process_block(ctx, ctx->buffer); for (i = 0; i < 4; i++) { out[i * 4 + 0] = (ctx->state[i] >> 0) & 0xff; out[i * 4 + 1] = (ctx->state[i] >> 8) & 0xff; out[i * 4 + 2] = (ctx->state[i] >> 16) & 0xff; out[i * 4 + 3] = (ctx->state[i] >> 24) & 0xff; } } /* ===== 测试 ===== */ int main(void) { const char* msg = "abc"; uint8_t hash[16]; md5_ctx ctx; md5_init(&ctx); md5_update(&ctx, (const uint8_t*)msg, strlen(msg)); md5_final(&ctx, hash); for (int i = 0; i < 16; i++) printf("%02x", hash[i]); printf("\n"); return 0; }
