四种古典密码的C++实现（1）-----Hill密码

//Hill密码
/*理解算法最重要，最好自己动手实现试试看，可以使用MFC写一个简单的交互界面*/

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <cstdio>
#include <cmath>
using namespace std;

//定义一些常变量
const int M = 26;   //定义集合{a,b,...,z}的26个英文字母

//行和列均为5
const int ROW = 5;
const int COL = 5;   

//定义5*5的加密矩阵
int K[ROW][COL];

//定义5*5的解密矩阵
int D[ROW][COL];

int P[ROW];  //明文单元
int C[ROW];  //密文单元
int F[ROW];  //密文解密后的单元

//三元组gcd(a,b) = ax + by = d
struct GCD
{
    int x;
    int y;
    int d;
};

class Hill_Cipher
{
public:
    //产生随机矩阵
    void random_Matrix();
    //求矩阵的行列式
    int Det(int matrix[ROW][ROW],int row);

    //求两个数的最大公约数
    int gcd(int a,int b);

    /*
     *判断矩阵K是否在模26的情况下可逆
     *因为矩阵在模26的情形下存在可逆矩阵的充分必要条件是
     *gcd(det K,26) = 1
     */
    bool Inverse(int matrix[ROW][ROW]);

    //矩阵相乘
    void multiphy(int matrix[ROW][ROW],int p[ROW],int row);

    //求出伴随矩阵
    void adjoint_matrix(int matrix[ROW][ROW],int row);

    //将明文加密为密文
    string encryption(string plaintext);

    //将密文解密为明文(为了辨识清楚,我们统一以小写字母作为明文,大写字母作为密文)
    string deciphering(string ciphertext);

    //欧几里得算法求模的逆
    GCD extended_Euclid(int a,int b);

    //模逆运算
    int inverse(int a,int m);

    //由于C++不存在负数取模的内置函数,现在自己设定一个
    //定义一个模M的值
    int Mod(int a);
};

void Hill_Cipher::random_Matrix()
{
    int i,j;
    for(i = 0;i < ROW;i++)
    {
        for(j = 0;j < COL;j++)
        {  
            K[i][j] = rand() % 26;  //产生一个5*5模26的矩阵
        }
    }
    
}

//求矩阵的行列式
int Hill_Cipher::Det(int matrix[ROW][ROW],int row)
{
    int i,j;            
    int cofa[ROW][ROW];            //用于存放余子阵
    int l;   //l为所递归的余子阵的行
    int p = 0,q = 0;
    int sum=0;
    
    //由于行和列相同(方阵),所以行列式的值一定存在,故不需要判断是否为方阵
    
    //递归基
    if(row == 1) 
        return matrix[0][0];
   for(i = 0;i < row; i++)
   {
     for(l = 0;l < row - 1;l++)
     {
       if(l < i)  
           p=0;
       else  
           p=1;
       for(j = 0;j< row - 1;j++)
       {
         cofa[l][j] = matrix[l + p][j + 1];
       }
     }
     //相当于(-1)^i
     if(i % 2 == 0)  
         q=1;
     else 
         q=(-1);
     sum = sum + matrix[i][0] * q * Det(cofa,row - 1);
   }
   return sum;
}

//求两个数的最大公约数
int Hill_Cipher::gcd(int a,int b)
{
    int temp;
    //交换两个数的大小,使得a为较大数
    if(a < b)
    {
        temp = a;
        a = b;
        b = temp;
    }
    while(a % b)
    {
        temp = b;
        b = a % b;
        a = temp;
    }
    return b;
}

/*
 *判断矩阵K是否在模26的情况下可逆
 *因为矩阵在模26的情形下存在可逆矩阵的充分必要条件是
 *gcd(det K,26) = 1
 */
bool Hill_Cipher::Inverse(int matrix[ROW][ROW])
{
    if(gcd(Det(matrix,ROW),M) == 1)
        return true;
    else
        return false;
}

void Hill_Cipher::multiphy(int matrix[ROW][ROW],int p[ROW],int row)
{
    int i,j;
    //先将密文单元清零
    memset(C,0,sizeof(C));
    for(i = 0;i < ROW;i++)
    {
        for(j = 0;j < ROW;j++)
        {
            C[i] += P[j] * K[j][i];
        }
    }
}

//将明文加密为密文
string Hill_Cipher::encryption(string plaintext)
{
    int i;
    string ciphertext;
    //将字符串转化为明文数组
    for(i = 0;i < ROW;i++)
    {
        P[i] = plaintext[i] - 'a';
    }
    multiphy(K,P,ROW);
    //将密文数组转化为密文
    for(i = 0;i < ROW;i++)
        //这里先将其模26,再翻译为对应的字母
    {
        C[i] =Mod(C[i]);
        ciphertext += C[i] + 'A';
    }
    return ciphertext;
}

//求出伴随矩阵
void Hill_Cipher::adjoint_matrix(int matrix[ROW][ROW],int row)
{
    int i,j,k,l;
    int p,q;
    p = q = 0;
    int temp[ROW][ROW];
    for(i = 0;i < ROW;i++)
    {
        for(j = 0;j < ROW;j++)
        {
            for(k = 0;k < ROW - 1;k++)
            {
                if(k < i)
                    p = 0;
                else
                    p = 1;
                for(l = 0;l < ROW - 1;l++)
                {
                    if(l < j)
                        q = 0;
                    else
                        q = 1;
                    temp[k][l] = matrix[k+p][l+q];
                }
            }
            D[j][i] = (int)pow(-1,(double)i+j)*Det(temp,ROW-1);
            D[j][i] = Mod(D[j][i]);
        }
    }
}

//将密文解密为明文(为了辨识清楚,我们统一以小写字母作为明文,大写字母作为密文)
string Hill_Cipher::deciphering(string ciphertext)
{
    //求出矩阵的逆
    string text;
    int determinant = Det(K,ROW);
    int inver = inverse(determinant,26);
    adjoint_matrix(K,ROW);   //伴随矩阵
    cout << "行列式的值: " << determinant << endl;
    int i,j;
    memset(F,0,sizeof(F));
    for(i = 0;i < ROW;i++)
    {
        for(j = 0;j < ROW;j++)
        {
            F[i] += C[j] * D[j][i];
        }
        F[i] *= inver;
        F[i] = Mod(F[i]);   //算到的结果要模去26
    }
    for(i = 0;i < ROW;i++)
        text += F[i] + 'a';
    return text;
}

GCD Hill_Cipher::extended_Euclid(int a,int b)
{
    GCD aa,bb;
    if(b == 0)
    {
        aa.x = 1;
        aa.y = 0;
        aa.d = a;
        return aa;
    }
    else
    {
        bb = extended_Euclid(b,a%b);
        aa.x = bb.y;
        aa.y = bb.x - (a / b) * bb.y;
        aa.d = bb.d;
    }
    return aa;
}

int Hill_Cipher::inverse(int a,int m)
{
    GCD aa;
    aa = extended_Euclid(a,m);
    return aa.x;
}

int Hill_Cipher::Mod(int a)
{
    return a >= 0 ? a % M : (M + a % M);
}

int main()
{
    int i,j;
    Hill_Cipher hh;
    cout << "使用希尔密码进行消息的加解密:" << endl;

    //srand()函数产生一个以当前时间开始的随机种子.以保证每次产生的随机数矩阵都不相同
    srand((unsigned)time(0));   
    hh.random_Matrix();
    while(!hh.Inverse(K))
    { 
        hh.random_Matrix();
    }
    cout << "随机产生5*5的矩阵:" << endl;
    for(i = 0;i < ROW;i++)
    {
        for(j = 0;j < COL;j++)
        {
            printf("%2d  ",K[i][j]);
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "该矩阵模26可逆,因此可以作为密钥." << endl;
    cout << endl;
    
    //利用所选密钥，对给定的5元明文信息进行加解密
    string plaintext,ciphertext;
    cout << "请输入5元明文信息:" << endl;
    cin >> plaintext;
    ciphertext = hh.encryption(plaintext);
    cout << endl;
    cout << "该明文通过希尔密码法加密过后,输出的密文消息为:" << endl;
    cout << ciphertext << endl;
    cout << endl;

    cout << "***输入0:退出          ***" << endl;
    cout << "***输入1:查看明文空间对***" << endl;
    cout << "***输入2:查看密文空间对***" << endl;
    cout << "***输入3:查看密钥      ***" << endl;
    cout << "***输入4:将消息解密    ***" << endl;
    cout << "***输入5:查看菜单      ***" << endl;

    char c;
    while(cin >> c)
    {
        if(c == '0')
        {
            cout << endl;
            cout << "退出" << endl;
            break;
        }
        else if(c == '1')
        {
            cout << "明文空间:" << endl;
            for(i = 0;i < ROW;i++)
                cout << P[i] << "  ";
            cout << endl;
            cout << endl;
        }
        else if(c == '2')
        {
            cout << "密文空间:" << endl;
            for(i = 0;i < ROW;i++)
                cout << C[i] << "  ";
            cout << endl;
            cout << endl;
        }
        else if(c == '3')
        {
            cout << "密钥:" << endl;
            for(i = 0;i < ROW;i++)
            {
                for(j = 0;j < ROW;j++)
                {
                    printf("%2d  ",K[i][j]);
                }
                cout << endl;
            }
            cout << endl;
        }
        else if(c == '4')
        {
            hh.adjoint_matrix(K,ROW);
            string ss;
            ss = hh.deciphering(ciphertext);
            cout << "该密文解密过后,显示的原来的明文消息:" << endl;
            cout << ss << endl;
            cout << endl;
        }
        else
        {
            cout << "***输入0:退出          ***" << endl;
            cout << "***输入1:查看明文空间对***" << endl;
            cout << "***输入2:查看密文空间对***" << endl;
            cout << "***输入3:查看密钥      ***" << endl;
            cout << "***输入4:将消息解密    ***" << endl;
            cout << "***输入5:查看菜单      ***" << endl;
        }
    }
    return 0;
}