PHP实现sha-256哈希算法

哈希 又称作 “散列”，它接收任何一组任意长度的输入信息，通过 哈希 算法变换成固定长度的数据指纹，该指纹就是 哈希值。总体而言，哈希 可理解为一种消息摘要。

在 PHP 中有这个函数 hash()，可以计算字符串的哈希值，出于好奇我 Google 了一下哈希计算的具体步骤，并使用 php 编写了一套计算 sha-256 哈希值的代码。当然除了 sha-256 以外还有一些别的哈希算法，只是目前 sha-256 用的多一些。下面是目前 美国国家标准与技术研究院 发布哈希算法：

在编写过程中我主要参考了以下文档和站点：

本文内容较多，主要分为下面这几个部分，读者阅读时可以先跳过 准备二：助手方法 直接进入 步骤 部分，在阅读 步骤 部分需要用到指定方法时再回过头来查阅 准备二：助手方法 中的函数。

• 准备一：代码主体

• 准备二：助手方法（阅读时可先跳过）

• 步骤一：字符串转二进制

• 步骤二：追加数字 1

• 步骤三：填充至 512 的倍数

• 步骤四：追加原始长度信息

• 步骤五：切分区块并填充至 2048 位

• 步骤六：区块数据修改

• 步骤七：压缩

准备一：代码主体

我们创建一个类 Algorithm 来存放我们计算哈希所需要用到的方法和属性。这个类中只有一个 public 的方法 sha256()，此方法传入一个字符串参数，输出此字符串的 sha-256 哈希值。要完成我们的哈希计算，总共需要经过七个步骤，我们先把这七个步骤的调用写到 sha256() 的函数体中。
 

step1_convert_str_to_bits($str);        // 步骤二：在最后面追加一个1        $this->step2_append_1();        // 步骤三：在数据末尾添加0，确保二进制的个数是512的倍数，最后预留64位用于存储原始长度信息        $this->step3_extend_to_multiple_of_512();        // 步骤四：把原始字符串位长度，填充到预留在最后的64位（8个字节的长整型）中        $this->step4_append_origin_length();        // 步骤五：每一个512位切分区块，在区块末尾填充0，使得每个区块位数为2048位，需要增加48行（32位一行）        $this->step5_split_blocks_and_append_48_lines();        // 步骤六：针对每一个2048位区块处理：以32位为一行，总共有64行，修改【16-63】行的数据        $this->step6_modify_blocks_appended_48_lines();        // 步骤七：压缩数据，生成最终的哈希值        return $this->step7_compress_to_final_hash();    }}

除了 sha256() 这个函数外， 我们要需要几个成员属性来保存计算过程中产生的数据。

$originLen 属性用于记录字符串被转化为二进制之后的原始长度，这个长度值后续会追加到数据中去。

private int $originLen = 0;

$bits 属性用于储存字符串转化后得到的二进制数据。

private array $bits;

$blocks 存放分块后的二进制数据。

private array $blocks;

H 哈希计所需的常量，hash-256 的 8 个哈希常量是质数 2、3、5、7、11、13、17、19 各自平方根取二进制小数部分前 32 位所得。

private const H = [    0x6a09e667, // 质数2的平方根取二进制小数部分前32位    0xbb67ae85, // 质数3的平方根取二进制小数部分前32位    0x3c6ef372, // 质数5的平方根取二进制小数部分前32位    0xa54ff53a, // 质数7的平方根取二进制小数部分前32位    0x510e527f, // 质数11的平方根取二进制小数部分前32位    0x9b05688c, // 质数13的平方根取二进制小数部分前32位    0x1f83D9ab, // 质数17的平方根取二进制小数部分前32位    0x5be0cd19, // 质数19的平方根取二进制小数部分前32位];

对于上面这几个常量，感兴趣的同学也可以自己计算得到，我这里只提供一个简单的计算示例，以质数 2 为例，我们先通过计算器得到它的平方根：1.4142135623730950488016887242097 然后只取小数部分：0.4142135623730950488016887242097，接着将这个十进制的小数转为二进制，转为流程如下：

小数转二进制0.0.4142135623730950488016887242097 x 2 => 00.8284271247461900976033774484194 x 2 => 10.6568542494923801952067548968388 x 2 => 10.3137084989847603904135097936776 x 2 => 00.6274169979695207808270195873552 x 2 => 10.2548339959390415616540391747104 x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 10.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 10.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 10.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 10.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 10.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 10.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 00.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0. . .

上面计算得到的小数部分二进制，取前 32 位：01101010 00001001 11100110 01100111，转为十六进制表示：0x6a09e667，其他几个质数的计算也是类似。当然由于是常量，值是固定不变的，所以我们只要知道其计算原理即可。

和上面的平方根常量类似，hash-256 的另外 64 个常量是质数 2、3、5、…、311 各自立方根取二进制小数部分前 32 位。

private const K = [    0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5, 0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5,    0xd807aa98, 0x12835b01, 0x243185be, 0x550c7dc3, 0x72be5d74, 0x80deb1fe, 0x9bdc06a7, 0xc19bf174,    0xe49b69c1, 0xefbe4786, 0x0fc19dc6, 0x240ca1cc, 0x2de92c6f, 0x4a7484aa, 0x5cb0a9dc, 0x76f988da,    0x983e5152, 0xa831c66d, 0xb00327c8, 0xbf597fc7, 0xc6e00bf3, 0xd5a79147, 0x06ca6351, 0x14292967,    0x27b70a85, 0x2e1b2138, 0x4d2c6dfc, 0x53380d13, 0x650a7354, 0x766a0abb, 0x81c2c92e, 0x92722c85,    0xa2bfe8a1, 0xa81a664b, 0xc24b8b70, 0xc76c51a3, 0xd192e819, 0xd6990624, 0xf40e3585, 0x106aa070,    0x19a4c116, 0x1e376c08, 0x2748774c, 0x34b0bcb5, 0x391c0cb3, 0x4ed8aa4a, 0x5b9cca4f, 0x682e6ff3,    0x748f82ee, 0x78a5636f, 0x84c87814, 0x8cc70208, 0x90befffa, 0xa4506ceb, 0xbef9a3f7, 0xc67178f2,];

准备二：助手函数

你可以直接跳过此部分内容，从下面的 步骤一 开始着手去计算哈希值，当需要使用到某一个助手函数的时候再来这里查找即可。

在计算哈希的过程中，我们是把二进制数据存储到数组中的，数组中的每一个元素对应了二进制的一个比特位，所以如果要对这些二进制数组进行 与 非 异或 相加 等操作，我们就需要实现自己的操作函数。

十进制整数转化为二进制数组。

public function int2bits(int $num, int $fillTo = 0): array{    $bits = str_split(decbin($num));    array_walk($bits, function (&$val) {        $val = intval($val);    });    for ($len = count($bits); $len < $fillTo; $len++) {        array_unshift($bits, 0);    }    return $bits;}

二进制数组向右移动指定位数。

public function rightShift(array $bits, int $move): array{    $len = count($bits);    $move = $move % $len;    if ($move <= 0) return $bits;    return array_merge(array_fill(0, $move, 0), array_slice($bits, 0, $len-$move));}

二进制数组向右旋转，与右移类似，不过移出去的数要插回到头部。

public function rightRotate(array $bits, int $move): array{    $len = count($bits);    $move = $move % $len;    if ($move <= 0) return $bits;    return array_merge(array_slice($bits, $len-$move, $move), array_slice($bits, 0, $len-$move));}

二进制数组求 非。

public function not(array $bits): array{    for ($i = count($bits)-1; $i >= 0; $i--) {        $bits[$i] = ($bits[$i] == 0) ? 1 : 0;    }    return $bits;}

多个二进制数组相 与。

public function and(array ...$args): array{    $arGC = count($args);    if ($argc == 0) return [];    for ($i = 1; $i < $argc; $i++) {        $j = count($args[0]) - 1;        $k = count($args[$i]) - 1;        while ($j >= 0 || $k >= 0) {            $j < 0 and array_unshift($args[0], 0) and $j = 0; // 如果是$args[0]不够长就头插补齐            ($args[$i][$k] ?? 0) == 0 and $args[0][$j] = 0;            $j--;            $k--;        }    }    return $args[0];}

多个二进制数组求 异或。

public function xor(array ...$args): array{    $argc = count($args);    if ($argc == 0) return [];    for ($i = 1; $i < $argc; $i++) {        $j = count($args[0]) - 1;        $k = count($args[$i]) - 1;        while ($j >= 0 || $k >= 0) {            $j < 0 and array_unshift($args[0], 0) and $j = 0; // 如果是$args[0]不够长就头插补齐            $args[0][$j] = intval($args[0][$j] != ($args[$i][$k] ?? 0));            $j--;            $k--;        }    }    return $args[0];}

多个二进制数组 相加。

public function add(array ...$args): array{    $argc = count($args);    if ($argc == 0) return [];    for ($i = 1; $i < $argc; $i++) {        $carry = 0;        $j = count($args[0]) - 1;        $k = count($args[$i]) - 1;        while ($j >= 0 || $k >= 0) {            $j < 0 and array_unshift($args[0], 0) and $j = 0; // 如果是$args[0]不够长就头插补齐            $carry += $args[0][$j] + ($args[$i][$k] ?? 0);            switch ($carry) {                case 1: $carry = 0; $args[0][$j] = 1; break;                case 2: $carry = 1; $args[0][$j] = 0; break;                case 3: $carry = 1; $args[0][$j] = 1; break;            }            $j--;            $k--;        }        $carry == 1 and array_unshift($args[0], $carry); // 计算完后还有进位则加长存放    }    return array_slice($args[0], -32); // 计算结果只保留32位}

打印二进制数组，用于调试用途，每 8 位会补一个空格，每 32 位补两个空格，每 64 位换一行，每 512 位空一行，让打印的数据更容易查看。

public function printBits(array $bits): void{    $len = 0;    foreach ($bits as $bit) {        if ($len > 0) {            if ($len % 512 == 0) echo PHP_EOL;            if ($len % 64 == 0) {                echo PHP_EOL;               } else {                if ($len % 32 == 0) echo ' ';                if ($len % 8 == 0) echo ' ';            }        }        echo $bit;        $len++;    }    echo PHP_EOL;}

二进制数组转化为十六进制，用于最后一步将二进制转换为哈希值字符串。

public function bits2hex(array $bits): string{    $str = '';    for ($i = count($bits)-1; $i >= 0; $i -= 4) {        $dec = $bits[$i] + ($bits[$i-1] ?? 0)*2 + ($bits[$i-2] ?? 0)*4 + ($bits[$i-3] ?? 0)*8;        switch ($dec) {            case 0:  $str = '0' . $str; break;            case 1:  $str = '1' . $str; break;            case 2:  $str = '2' . $str; break;            case 3:  $str = '3' . $str; break;            case 4:  $str = '4' . $str; break;            case 5:  $str = '5' . $str; break;            case 6:  $str = '6' . $str; break;            case 7:  $str = '7' . $str; break;            case 8:  $str = '8' . $str; break;            case 9:  $str = '9' . $str; break;            case 10: $str = 'a' . $str; break;            case 11: $str = 'b' . $str; break;            case 12: $str = 'c' . $str; break;            case 13: $str = 'd' . $str; break;            case 14: $str = 'e' . $str; break;            case 15: $str = 'f' . $str; break;        }    }    return $str;}

步骤一：字符串转二进制

这里我们使用 "hello world" 字符串来演示整个哈希计算过程。我们可以先用 PHP 内置的哈希函数将结果算出来， "hello world" 的哈希值是 "b94d27b9934d3e08a52e52d7da7dabfac484efe37a5380ee9088f7ace2efcde9"，到最后我们计算出来的哈希值如果等于这个值则说明我们的计算逻辑是正确的。

首先我们把 "hello world" 拆成一个个的字符，每个字符都有对应一个 ASCII 码值，这些 ASCII 码值都是 0-256 的整数。使用 PHP 的 ord() 函数可以把这些字符转为整数，再将这些整数转为对应的二进制并存储到属性 $bits 中。并将此时 $bits 的长度值保存到 $originLen 属性里。

"hello world" 转为二进制后的数据是：

“hello world”

01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111

01110010 01101100 01100100

public function step1_convert_str_to_bits(string $str): void{    $this->bits = [];    $chars = str_split($str);    foreach ($chars as $char) {        $this->bits = array_merge($this->bits, $this->int2bits(ord($char), 8));    }    $this->originLen = count($this->bits);}

步骤二：追加数字 1

接着在二进制数组的末尾添加一个 1。

$bits

01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111

01110010 01101100 01100100 1

public function step2_append_1(): void{    $this->bits[] = 1;}

步骤三：填充至 512 的倍数

在二进制数组的末尾添加 0 以使得整个二进制数组的个数刚好是 512 的倍数。需要注意的是，二进制数组的最末尾要预留 64 位用于存放原始二进制的长度。也就是一开始将字符串转换成二进制时的长度，我们在 步骤一 中将这个长度值保存到了 $originLen 属性里。

$bits

01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111

01110010 01101100 01100100 10000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

[    预留 64 位用于存储原始字符串的长度    ]

public function step3_extend_to_multiple_of_512(): void{    $rem = (count($this->bits) + 64) % 512;    if ($rem > 0) {        while ($rem < 512) {            $this->bits[] = 0;            $rem++;        }    }}

步骤四：追加原始长度信息

把之前记录的原始数据长度 $originLen 转换为 64 位的二进制追加到 $bits 末尾。

$bits

01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111

01110010 01101100 01100100 10000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 01011000

public function step4_append_origin_length(): void{    $this->bits = array_merge($this->bits, $this->int2bits($this->originLen, 64));}

步骤五：切分区块并填充至 2048 位

经过 步骤四 之后，$bits 二进制数组的个数已经是 512 的倍数，现在以每 512 位分为一个区块，然后在每个区块末尾填充 0，让每个区块的大小变成 2048 位。每个区块的 2048 位数据以 32 位作为一行，那么就有 64 行。由于 "hello world" 数据比较短，我们就只有一个区块。

public function step5_split_blocks_and_append_48_lines(): void{    $this->blocks = [];    $append = $this->int2bits(0, 48 * 32);    $len = count($this->bits);    for ($i = 0; $i < $len; $i += 512) {        $this->blocks[] = array_merge(array_slice($this->bits, $i, 512), $append);    }}

步骤六：区块数据修改

上一步中我们给每一个区块末尾添加了很多 0，在这一步中，通过一些位操作将这些数据进一步调整。按 32 位为一行，我们需要修改新增加的 16-63 行的数据。修改的逻辑如下：

算法逻辑

For i from w[16…63]:    s0 = (w[i-15] rightrotate 7) xor (w[i-15] rightrotate 18) xor (w[i-15] rightshift 3)    s1 = (w[i-2] rightrotate 17) xor (w[i- 2] rightrotate 19) xor (w[i- 2] rightshift 10)    w[i] = w[i-16] + s0 + w[i-7] + s1

其中 w 是每个区块的行数组，w[i] 就是第 i 行。

rightshift 是右移，rightrotate 是旋转右移， xor 是异或。

这里以第 16 行的处理为例：

算法详解

i = 16(w[1] rightrotate 7) = 01101111001000000111011101101111 -> 11011110110111100100000011101110(w[1] rightrotate 18) = 01101111001000000111011101101111 -> 00011101110110111101101111001000(w[1] rightshift 3) = 01101111001000000111011101101111 -> 00001101111001000000111011101101s0 = (w[1] rightrotate 7) xor (w[1] rightrotate 18) xor (w[1] rightshift 3) = 11001110111000011001010111001011(w[14] rightrotate 17) = 00000000000000000000000000000000 -> 00000000000000000000000000000000(w[14] rightrotate 19) = 00000000000000000000000000000000 -> 00000000000000000000000000000000(w[14] rightshift 10) = 00000000000000000000000000000000 -> 00000000000000000000000000000000s1 = (w[14] rightrotate 17) xor (w[14] rightrotate 19) xor (w[14] rightshift 10)= 00000000000000000000000000000000w[i] = w[0] + s0 + w[9] + s1= 00110111010001110000001000110111（相加得到的值如果超过 32 位，则抹去高位）public function step6_modify_blocks_appended_48_lines(): void{    foreach ($this->blocks as &$block) {        for ($i = 16; $i < 64; $i++) {            $w0 = array_slice($block, ($i-16)*32, 32);            $w1 = array_slice($block, ($i-15)*32, 32);            $w9 = array_slice($block, ($i-7)*32, 32);            $w14 = array_slice($block, ($i-2)*32, 32);            $s0 = $this->xor(    $this->rightRotate($w1, 7),                $this->rightRotate($w1, 18),                $this->rightShift($w1, 3)            );            $s1 = $this->xor(                $this->rightRotate($w14, 17),                $this->rightRotate($w14, 19),                $this->rightShift($w14, 10)            );            $wi = $this->add($w0, $s0, $w9, $s1);            // 如果$wi的长度超过了32位，则只取32位，舍弃高位            $k = count($wi) - 1;            for ($j = $i * 32 + 31; $j >= $i * 32; $j--) {                $block[$j] = $wi[$k] ?? 0;                $k--;            }        }    }}

步骤七：压缩

新建变量 $a、$b、$c、$d、$e、$f、$g、$h 值依次分别等于哈希常量 H[0-7]，接着循环每一个区块的每一行，通过 与 非 异或 等操作将信息压缩到 $a、$b、$c、$d、$e、$f、$g、$h 中，最后将 $a、$b、$c、$d、$e、$f、$g、$h 的值与原始常量 H[0-7] 相加，拼接相加后的二进制结果 h0~h7 并转化为十六进制字符串得到最终的哈希值。

具体的压缩算法如下：

算法逻辑

For i from 0 to 63    s1 = (e rightrotate 6) xor (e rightrotate 11) xor (e rightrotate 25)    ch = (e and f) xor ((not e) and g)    temp1 = h + s1 + ch + k[i] + w[i]    s0 = (a rightrotate 2) xor (a rightrotate 13) xor (a rightrotate 22)    maj = (a and b) xor (a and c) xor (b and c)    temp2 := s0 + maj    h = g    g = f    f = e    e = d + temp1    d = c    c = b    b = a    a = temp1 + temp2

这里以第 0 行的处理为例，列出了变量计算结果方便大家对照调试：

计算结果

i = 0

s1 = 00110101100001110010011100101011

ch = 00011111100001011100100110001100

temp1 = 01011011110111010101100111010100

s0 = 11001110001000001011010001111110

maj = 00111010011011111110011001100111

temp2 = 00001000100100001001101011100101

h = 00011111100000111101100110101011

g = 10011011000001010110100010001100

f = 01010001000011100101001001111111

e = 00000001001011010100111100001110

d = 00111100011011101111001101110010

c = 10111011011001111010111010000101

b = 01101010000010011110011001100111

a = 01100100011011011111010010111001

public function step7_compress_to_final_hash(): string{    $a = $h0 = $this->int2bits(static::H[0], 32);    $b = $h1 = $this->int2bits(static::H[1], 32);    $c = $h2 = $this->int2bits(static::H[2], 32);    $d = $h3 = $this->int2bits(static::H[3], 32);    $e = $h4 = $this->int2bits(static::H[4], 32);    $f = $h5 = $this->int2bits(static::H[5], 32);    $g = $h6 = $this->int2bits(static::H[6], 32);    $h = $h7 = $this->int2bits(static::H[7], 32);    foreach ($this->blocks as $block) {        for ($i = 0; $i < 64; $i++) {            $s1 = $this->xor(                $this->rightRotate($e, 6),                $this->rightRotate($e, 11),                $this->rightRotate($e, 25)            );            $ch = $this->xor(                $this->and($e, $f),                $this->and($this->not($e), $g)            );            $ki = $this->int2bits(static::K[$i], 32);            $wi = array_slice($block, $i*32, 32);            $temp1 = $this->add($h, $s1, $ch, $ki, $wi);            $s0 = $this->xor(                $this->rightRotate($a, 2),                $this->rightRotate($a, 13),                $this->rightRotate($a, 22),            );            $maj = $this->xor(                $this->and($a, $b),                $this->and($a, $c),                $this->and($b, $c)            );            $temp2 = $this->add($s0, $maj);            $h = $g;            $g = $f;            $f = $e;            $e = $this->add($d, $temp1);            $d = $c;            $c = $b;            $b = $a;            $a = $this->add($temp1, $temp2);        }    }    $h0 = $this->add($h0, $a);    $h1 = $this->add($h1, $b);    $h2 = $this->add($h2, $c);    $h3 = $this->add($h3, $d);    $h4 = $this->add($h4, $e);    $h5 = $this->add($h5, $f);    $h6 = $this->add($h6, $g);    $h7 = $this->add($h7, $h);    return $this->bits2hex(array_merge($h0, $h1, $h2, $h3, $h4, $h5, $h6, $h7));}

 至此整个哈希 sha-256 计算流程就完成了， 计算得到的哈希值也与 PHP 自带的 hash() 函数计算结果一致。

原文链接：用PHP实现自己的sha-256哈希算法！-php教程-PHP中文网

来源地址：https://blog.csdn.net/JSPSEO/article/details/125126632