生活中，有時候我們需要對一些重要的文件進行加密，Python 提供了諸如 hashlib，base64 等便於使用的加密庫。
但對於日常學習而言，我們可以藉助異或操作，實現一個簡單的文件加密程序，從而強化自身的編程能力。記得給公衆號加個星標，不會錯過精彩內容。
基礎知識
在 Python 中異或操作符爲：^，也可以記作 XOR。按位異或的意思是：相同值異或爲 0，不同值異或爲 1。具體來講，有四種可能：0 ^ 0 = 0，0 ^ 1 = 1, 1 ^ 0 = 1, 1 ^ 1 = 0。我們還可總結出規律（A 爲 0 或 1）：0 和 A 異或爲 A本身；1 和 A 異或爲 A 反。
讓我們想看看一位二進制數滿足的性質：
一位二進制數與自身的異或值爲 0
b ^ b = 0
異或操作滿足交換律
a ^ b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c
0 與 a 的異或爲 a
(a ^ b) ^ b = a ^ (b ^ b) = a ^ 0 = a
易知，對任意長二進制數都滿足上述性質。
原理
通過了解異或操作的性質，加密原理就非常清晰了。
加密操作：
首先將文件轉換成二進制數，再生成與該二進制數等長的隨機密鑰，將二進制數與密鑰進行異或操作，得到加密後的二進制數。
解密操作：
將加密後的二進制程序與密鑰進行異或操作，就得到原二進制數，最後將原二進制數恢復成文本文件。
生成隨機密鑰：
secrets 庫是 Python 3.6 引入的僞隨機數模塊，適合生成隨機密鑰。token_bytes 函數接受一個 int 參數，用於指定隨機字節串的長度。int.from_bytes 把字節串轉換爲 int，也就是我們需要的二進制數。
from secrets import token_bytes
def random_key(length):
key = token_bytes(nbytes=length)
key_int = int.from_bytes(key, 'big')
return key_int
加密單元:
encrypt 函數接受一個 str 對象，返回元組 (int, int)。通過 encode 方法，我們將字符串編碼成字節串。int.from_bytes 函數將字節串轉換爲 int 對象。最後對二進制對象和隨機密鑰進行異或操作，就得到了加密文本。
def encrypt(raw):
raw_bytes = raw.encode()
raw_int = int.from_bytes(raw_bytes, 'big')
key_int = random_key(len(raw_bytes))
return raw_int ^ key_int, key_int
解密單元：
decrypt 接受兩個 int 對象，分別爲加密文本和隨機密鑰。首先對兩者進行異或操作，計算解密出來的 int 對象所佔比特數。decrypted.bit_length 函數得到的是二進制數的位數，除以 8 可以得到所佔比特大小。爲了防止，1 ~ 7 位的二進制數整除 8 得到 0，所以要加上 7，然後再進行整除 8 的操作。使用 int.to_bytes 函數將解密之後的 int 的對象轉換成 bytes 對象。最後通過 decode 方法，將字節串轉換成字符串。
def decrypt(encrypted, key_int):
decrypted = encrypted ^ key_int
length = (decrypted.bit_length() + 7) // 8
decrypted_bytes = int.to_bytes(decrypted, length, 'big')
return decrypted_bytes.decode()
利用上述函數，我們可以很輕鬆對文本文件進行加密、解密操作。
>>> raw = '畫圖省識春風面，環珮空歸夜月魂'
>>> encrypted = encrypt(raw)
>>> encrypted
(217447100157746604585...,
9697901906831571319...)
>>> decrypt(*encrypted)
'畫圖省識春風面，環珮空歸夜月魂'
加密文本文件
path 爲待加密文件的地址，如果不指定密鑰地址，則在該目錄下新建目錄和文件。
import json
from pathlib import Path
def encrypt_file(path, 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, 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)
執行完加密、解密文件操作，得到的解密文件與原文件相同，示意圖如下：