Python 实现基于异或运算的文件加密与解密

青禾

发布时间：2026-10-14| 5人浏览过

原创

本文详细介绍如何利用 Python 实现基于异或（XOR）运算的文件加密功能。文章从异或运算的基础性质出发，解析其可逆性原理，并演示如何使用 Python 3.6 引入的 secrets 库生成安全随机密钥。通过 encrypt 和 decrypt 函数，实现字符串到整数、字节流的转换与异或处理，最终完成文本文件的加密与解密操作，确保还原后的文件与原文件一致。

基础知识

在 Python 编程语言中，异或操作符表示为 ^，也可记作 XOR。按位异或的核心逻辑是：当两个操作数的对应位相同时结果为 0，不同时结果为 1。具体而言，存在四种组合情况：0 与 0 异或得 0，0 与 1 异或得 1，1 与 0 异或得 1，以及 1 与 1 异或得 0。基于此可以总结出两条关键规律（假设 A 为 0 或 1）：任何数与 0 进行异或运算，结果仍为该数本身；任何数与 1 进行异或运算，结果为该数的反值。

让我们分析一下一位二进制数所具备的性质：

一位二进制数与自身进行异或运算，结果恒为 0

b ^ b = 0

异或运算满足交换律

a ^ b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c

任何数与 0 进行异或运算，结果仍为该数

(a ^ b) ^ b = a ^ (b ^ b) = a ^ 0 = a

可以验证，上述性质同样适用于任意长度的二进制数。

原理

在理解异或运算的基本性质后，加密的核心原理便一目了然。

加密操作：

首先，将待加密文件转换为二进制数据表示；接着，生成一个与该二进制数据等长的随机密钥；最后，将原始二进制数据与随机密钥进行异或运算，从而生成加密后的二进制数据。

解密操作：

将加密后的二进制数据与原始生成的随机密钥再次进行异或运算，即可还原出原始二进制数据；最后，将还原后的二进制数据转换回原始的文本文件。

生成随机密钥：

secrets 库是 Python 3.6 版本引入的伪随机数生成模块，特别适用于生成高安全性的随机密钥。其中，token_bytes 函数接收一个整数参数，用于指定生成的随机字节串长度。随后，利用 int.from_bytes 函数将该字节串转换为整数，即为我们所需的二进制数值表示。

加密单元:

encrypt 函数接收一个字符串对象作为输入，并返回一个包含两个整数的元组 (int, int)。首先，通过 encode 方法将字符串编码为字节串；接着，使用 int.from_bytes 函数将字节串转换为整数对象；最后，对该整数对象与随机密钥执行异或运算，即得到加密后的文本数据。

解密单元：

decrypt 函数接收两个整数对象，分别代表加密文本和随机密钥。首先，对这两个整数执行异或运算，计算出解密后的整数对象。为了确定该整数所占的字节数，使用 decrypted.bit_length 函数获取其二进制位数，将其除以 8 得到理论字节大小。由于 1 到 7 位的二进制数整除 8 结果为 0，因此需先加 7 再整除 8，以修正计算误差。最后，利用 int.to_bytes 函数将解密后的整数转换回字节对象，并通过 decode 方法将字节串还原为字符串。

利用上述定义的函数，我们可以轻松地对文本文件执行加密和解密操作。