生活中，有时候我们需要对一些重要的文件进行加密，Python 提供了诸如 hashlib，base64 等便于使用的加密库。
对于日常学习而言，我们可以借助异或操作，实现一个简单的文件加密程序，从而强化自身的编程能力。
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基础知识
在 Python 中异或操作符为：^，也可以记作 XOR。按位异或的意思是：相同值异或为 0，不同值异或为 1。具体来讲，有四种可能：0 ^ 0 = 0，0 ^ 1 = 1, 1 ^ 0 = 1, 1 ^ 1 = 0。我们还可总结出规律（A 为 0 或 1）：0 和 A 异或为 A本身；1 和 A 异或为 A 反。
让我们想看看一位二进制数满足的性质：
- 一位二进制数与自身的异或值为 0
b ^ b = 0
- 异或操作满足交换律
a ^ b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c
- 0 与 a 的异或为 a
(a ^ b) ^ b = a ^ (b ^ b) = a ^ 0 = a
易知，对任意长二进制数都满足上述性质。
原理
通过了解异或操作的性质，加密原理就非常清晰了。
加密操作：
首先将文件转换成二进制数，再生成与该二进制数等长的随机密钥，将二进制数与密钥进行异或操作，得到加密后的二进制数。
解密操作：
将加密后的二进制程序与密钥进行异或操作，就得到原二进制数，最后将原二进制数恢复成文本文件。
代码
生成随机密钥：
secrets 库是 Python 3.6 引入的伪随机数模块，适合生成随机密钥。token_bytes 函数接受一个 int 参数，用于指定随机字节串的长度。int.from_bytes 把字节串转换为 int，也就是我们需要的二进制数。
from secrets import token_bytes
from typing import Tuple
def random_key(length:int) -> int:
key:bytes = token_bytes(nbytes=length)
key_int:int = int.from_bytes(key, 'big')
return key_int
加密单元:
encrypt 函数接受一个 str 对象，返回元组 (int, int)。通过 encode 方法，我们将字符串编码成字节串。int.from_bytes 函数将字节串转换为 int 对象。最后对二进制对象和随机密钥进行异或操作，就得到了加密文本。
def encrypt(raw:str) -> Tuple[int, int]:
raw_bytes:bytes = raw.encode()
raw_int:int = int.from_bytes(raw_bytes, 'big')
key_int:int = random_key(len(raw_bytes))
return raw_int ^ key_int, key_int
解密单元：
decrypt 接受两个 int 对象，分别为加密文本和随机密钥。首先对两者进行异或操作，计算解密出来的 int 对象所占比特数。decrypted.bit_length 函数得到的是二进制数的位数，除以 8 可以得到所占比特大小。为了防止，1 ~ 7 位的二进制数整除 8 得到 0，所以要加上 7，然后再进行整除 8 的操作。使用 int.to_bytes 函数将解密之后的 int 的对象转换成 bytes 对象。最后通过 decode 方法，将字节串转换成字符串。
def decrypt(encrypted:int, key_int:int) -> str:
decrypted:int = encrypted ^ key_int
length = (decrypted.bit_length() + 7) // 8
decrypted_bytes:bytes = int.to_bytes(decrypted, length, 'big')
return decrypted_bytes.decode()
利用上述函数，我们可以很轻松对文本文件进行加密、解密操作。
>>> raw = '画图省识春风面，环珮空归夜月魂'
>>> encrypted = encrypt(raw)
>>> encrypted
(217447100157746604585...,
9697901906831571319...)
>>> decrypt(*encrypted)
'画图省识春风面，环珮空归夜月魂'
加密文本文件
path 为待加密文件的地址，如果不指定密钥地址，则在该目录下新建目录和文件。
import json
from pathlib import Path
def encrypt_file(path:str, key_path=None, *, encoding='utf-8'):
path = Path(path)
cwd = path.cwd() / path.name.split('.')[0]
path_encrypted = cwd / path.name
if key_path is None:
key_path = cwd / 'key'
if not cwd.exists():
cwd.mkdir()
path_encrypted.touch()
key_path.touch()
with path.open('rt', encoding=encoding) as f1, \
path_encrypted.open('wt', encoding=encoding) as f2, \
key_path.open('wt', encoding=encoding) as f3:
encrypted, key = encrypt(f1.read())
json.dump(encrypted, f2)
json.dump(key, f3)
解密文件
def decrypt_file(path_encrypted:str, key_path=None, *, encoding='utf-8'):
path_encrypted = Path(path_encrypted)
cwd = path_encrypted.cwd()
path_decrypted = cwd / 'decrypted'
if not path_decrypted.exists():
path_decrypted.mkdir()
path_decrypted /= path_encrypted.name
path_decrypted.touch()
if key_path is None:
key_path = cwd / 'key'
with path_encrypted.open('rt', encoding=encoding) as f1, \
key_path.open('rt', encoding=encoding) as f2, \
path_decrypted.open('wt', encoding=encoding) as f3:
decrypted = decrypt(json.load(f1), json.load(f2))
f3.write(decrypted)
执行完加密、解密文件操作，得到的解密文件与原文件相同，示意图如下：
在这里插入图片描述
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