在之前的章節(jié)中，編寫的程序只能操作較少的信息，這些信息往往是以字符串的形式直接寫在代碼中的。但本章中的程序可以對整個文件進行加密和解密，文件的大小可以包括成千上萬個字符。

1　純文本文件

對文件進行置換操作的程序只對純文本（無格式文本）文件進行加/解密，這類文件指的是那些后綴名為 .txt 且文件中不包含除文本數(shù)據(jù)以外的內(nèi)容的文件。要編寫這類文件，可以選擇在Windows系統(tǒng)下使用Notepad、在macOS系統(tǒng)下使用TextEdit，或者在Linux系統(tǒng)下使用gedit。（Word這樣的文本處理程序同樣也可以生成純文本文件，但記住這些文件不能保存字體樣式、字體大小、顏色或其他任何格式。）除上述文本編輯軟件外，讀者甚至可以使用IDLE文本編輯器，只要將文件后綴保存為 .txt 而不是通常使用的 .py 即可。

如果需要純文本文件的樣例，則可以從網(wǎng)絡上下載一些txt小說，要將純文本手動輸入程序中，可能要花費很多時間，但如果使用現(xiàn)成的txt文件，則程序在數(shù)秒內(nèi)就可以完成加密操作。

2　使用置換密碼加密文件的源代碼

在前兩章置換密碼測試程序的基礎上，針對文件的置換密碼程序引入了transposition Encrypt.py和transpositionDecrypt.py這兩個文件，這樣就可以調(diào)用encryptMessage()和decryptMessage() 這兩個函數(shù)。因此，編寫這個新程序?qū)⒉挥弥匦螺斎雰蓚€函數(shù)的代碼。

選中 File?New File，打開一個新的編輯窗口，將下列代碼輸入編輯窗口并將其存儲為transpositionFileCipher.py。接下來，訪問本書配套資源下載一個名為frankenstein.txt的文件，并將其放置在與py文件相同的路徑之下，按下F5鍵運行這個程序。

transpositionFileCipher.py

1. # 置換密碼加/解密文件 2. # https://xintu.nostarch.com/crackingcodes/ (BSD Licensed) 3. 4. import time, os, sys, transpositionEncrypt, transpositionDecrypt 5. 6. def main(): 7.　　 inputFilename = 'frankenstein.txt' 8.　　 # 注意，如果具有outputFilename 名稱的文件已存在，則此程序 9.　　 # 覆蓋該文件10.　　 outputFilename = 'frankenstein.encrypted.txt'11.　　 myKey = 1012.　　 myMode = 'encrypt' # 設置為'encrypt'或'decrypt'13.14.　　 # 如果輸入文件不存在，則程序提前終止15.　　 if not os.path.exists(inputFilename):16.　　　　 print('The file %s does not exist. Quitting...' % (inputFilename))17.　　　　 sys.exit()18.19.　　 # 如果輸出文件已存在，則給用戶退出的機會20.　　 if os.path.exists(outputFilename):21.　　　　 print('This will overwrite the file %s. (C)ontinue or (Q)uit?' %　　　　　　　(outputFilename))22.　　　　 response = input('> ')23.　　　　 if not response.lower().startswith('c'):24.　　　　　　 sys.exit()25.26.　　 # 從輸入文件中讀取消息27.　　 fileObj = open(inputFilename)28.　　 content = fileObj.read()29.　　 fileObj.close()30.31.　　 print('%sing...' % (myMode.title()))32.33.　　 # 測量加/解密所需時間34.　　 startTime = time.time()35.　　 if myMode == 'encrypt':36.　　　　 translated = transpositionEncrypt.encryptMessage(myKey, content)37.　　 elif myMode == 'decrypt':38.　　　　 translated = transpositionDecrypt.decryptMessage(myKey, content)39.　　 totalTime = round(time.time() - startTime, 2)40.　　 print('%sion time: %s seconds' % (myMode.title(), totalTime))41.42.　　 # 將置換后的消息寫入輸出文件43.　　 outputFileObj = open(outputFilename, 'w')44.　　 outputFileObj.write(translated)45.　　 outputFileObj.close()46.47.　　 print('Done %sing %s (%s characters).' % (myMode, inputFilename,　　　　　len(content)))48.　　 print('%sed file is %s.' % (myMode.title(), outputFilename))49.50.51. # 如果運行 transpositionCipherFile.py （而不是作為模塊引入），則52. # 調(diào)用main() 函數(shù)53. if __name__ == '__main__':54.　　 main()3　運行置換密碼加密文件程序的樣例

運行transpositionFileCipher.py得到的輸出如下。

Encrypting...Encryption time: 1.21 secondsDone encrypting frankenstein.txt (441034 characters).Encrypted file is frankenstein.encrypted.txt.

這樣就創(chuàng)建出了一個名為frankenstein.encrypted.txt 的新文件，該文件與 transposition FileCipher.py 在同一個路徑下。使用IDLE文件編輯器打開這個新文件，就可以看到frankenstein.txt 中的文本內(nèi)容被加密后的結(jié)果了。它應有的格式如下所示。

PtFiyedleo a arnvmt eneeGLchongnes Mmuyedlsu0#uiSHTGA r sy,n t yss nuaoGeLsc7s,--snip--

每次加密一個文件，都可以將加密的結(jié)果發(fā)送給另一個人去解密它，對方同樣需要文件置換操作程序的源代碼。

要解密密文，可以對源代碼進行下述改變（粗體部分），隨后再次運行這個程序。

7.　　 inputFilename = 'frankenstein.encrypted.txt' 8.　　 # 如果具有outputFilename 名稱的文件已存在，則此程序 9.　　 # 覆蓋該文件10.　　 outputFilename = 'frankenstein.decrypted.txt'11.　　 myKey = 1012.　　 myMode = 'decrypt' # 設置為 'encrypt'或'decrypt'

這時候運行該程序，就會在當前文件夾下創(chuàng)建出一個名為 frankenstein.decrypted.txt 的新文件，此時這個新文件的內(nèi)容和原始明文是一致的。

4　文件操作

在深入研究 transpositionFileCipher.py 文件的源代碼之前，首先要明白Python是如何對文件進行操作的。讀取文件內(nèi)容的3個步驟分別是打開文件、讀取文件內(nèi)容并將其存儲到一個變量中、關閉文件。類似地，要將新內(nèi)容寫入文件中時，首先必須打開（或創(chuàng)建）一個文件，接著將新的內(nèi)容寫入其中，最后關閉這個文件。

4.1　打開文件

Python可以通過open()方法打開一個文件以供讀取、寫入內(nèi)容時使用，其第一個參數(shù)為文件名。當要打開的文件和Python程序處于同一個文件夾下時，可以直接使用文件名，例如“thetimemachine.txt”，如果當前文件夾存在這么一個文件，則打開它的Python指令如下所示。

fileObj = open('thetimemachine.txt')

這樣，一個文件對象就被存儲在變量 fileObj 中了，之后進行讀寫操作時使用這個變量即可。

還可以用文件的絕對路徑（absolute path）作為第一個參數(shù)，這樣引號內(nèi)就需要包括文件所在的文件夾及其所有父文件夾的名稱，舉個例子，類似“C:\\Users\\Al\\frankenstein.txt”（Windows系統(tǒng)下），或“/Users/Al/frankenstein.txt”（macOS及Linux系統(tǒng)下）格式的都是絕對路徑。記住，Windows系統(tǒng)下，反斜線（/）前一定要多加一個反斜線用于轉(zhuǎn)義。

舉個例子，若想打開“frankenstein.txt”文件，則需要將其路徑以字符串的形式作為open()方法的第一個參數(shù)（絕對路徑的格式由使用的操作系統(tǒng)決定）。

fileObj = open('C:\\\Users\\\Al\\\frankenstein.txt')

文件對象有多種用于讀取、寫入和關閉文件的方法，下面將對這些方法進行詳細介紹，為方便說明這里調(diào)換一下順序。

4.2　數(shù)據(jù)寫入及文件關閉

對于文件的加密程序而言，在讀取文本內(nèi)容之后就需要將加密的數(shù)據(jù)寫入一個新的文件中，這時用到的方法就是write()。

要想使用一個文件對象的write()方法，首先需要將文件以寫模式打開，即將字符串 ‘w’ 傳入open()方法作為其二個參數(shù)。open()方法的第二個參數(shù)是一個可選參數(shù)（optional parameter），這意味著open()方法在沒有第二個參數(shù)的情況下仍然能夠被調(diào)用。例如，將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境中。

>>> fileObj = open('spam.txt', 'w')

這一行以寫模式創(chuàng)建了一個名為“spam.txt”的文件，則可以對其進行編輯。如果在open()方法創(chuàng)建新文件的路徑下存在一個同名文件，則該同名文件將被重寫，因此，以寫模式使用opne()方法時需要萬分小心。

spam.txt 以寫模式打開后，就可以調(diào)用write()方法往其中寫入內(nèi)容了。write()方法有一個參數(shù)：存儲在一個字符串中的、將要被寫入文件的內(nèi)容。將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境，把字符串Hello, world!寫入 spam.txt 中。

>>> fileObj.write('Hello, world!')13

上述代碼將字符串Hello, world!作為參數(shù)傳入write()方法，把該字符串寫入文件 spam.txt 中并打印出數(shù)字13，這個數(shù)字代表了寫入文件中的字符數(shù)。

對文件的操作執(zhí)行完成之后，需要通過調(diào)用文件對象的close()方法告知Python此事。

>>> fileObj.close()

除上述必定會覆蓋原文件內(nèi)容的寫模式之外，還存在一個附加模式，在該模式下字符串會被添加到文件已有內(nèi)容的末尾。盡管本章程序中沒有用到這個模式，讀者也可以自己嘗試以附加模式打開文件，只需要將字符串 ‘a(chǎn)’ 作為 open() 方法的第二個參數(shù)即可。

如果在調(diào)用文件對象的write()方法時，遇到了“io.UnsupportedOperation: not readable”的報錯信息，則可能是因為沒有以寫模式打開文件。調(diào)用open()方法的過程中若沒有包括可選參數(shù)，則其默認值將被自動設置為寫模式（’r’），該模式下只允許使用者調(diào)用文件對象的read()方法。

4.3　讀取文件

read()方法能夠以字符串的形式返回文件中包含的所有內(nèi)容，為驗證其功能，本節(jié)將讀取之前用wirte()方法創(chuàng)建的 spam.txt 文件。在交互式運行環(huán)境中運行如下代碼。

>>> fileObj = open('spam.txt', 'r')>>> content = fileObj.read()>>> print(content)Hello world!>>> fileObj.close()

打開文件之后創(chuàng)建的文件對象存儲在變量 fileObj 中，如果該對象存在，則可以使用read()方法讀取文件的內(nèi)容并將其存儲在變量 content 中，隨后打印該變量的值。執(zhí)行完上述對文件對象的操作后，使用close()方法關閉該文件。

如果遇到“IOError: [Errno 2] No such file or directory”的報錯信息，請確保想要打開的文件就在讀者認為的路徑下，并再次檢查文件名和文件夾的名稱是否正確輸入。（文件夾即路徑。）

在transpositionFileCipher.py程序中，對文件進行的加密和解密需要用到上文提到的所有open()、write() 及 close()方法。

5　創(chuàng)建main()函數(shù)

transpositionFileCipher.py 程序的第一部分應該看起來十分眼熟，第4行是一個import 語句，引入了transpositionEncypt.py和transpositionDecrypt.py兩個程序和Python庫中的time、os及sys模塊，接下來的部分即main()函數(shù)，其中創(chuàng)建了程序需要用到的變量。

1. # 置換密碼加/解密文件2. # https://xintu.nostarch.com/crackingcodes/ (BSD Licensed)3.4. import time, os, sys, transpositionEncrypt, transpositionDecrypt5.6. def main():7.　　 inputFilename = 'frankenstein.txt'8.　　 # 注意，如果具有outputFilename 名稱的文件已存在，則此程序9.　　 # 覆蓋該文件10.　　 outputFilename = 'frankenstein.encrypted.txt'11.　　 myKey = 1012.　　 myMode = 'encrypt' # 設置為 'encrypt'或'decrypt'

變量 inputFilename 存儲了待讀取文件名的字符串，而加密后（或解密后）的內(nèi)容寫入以變量 outputFilename 的值命名的文件內(nèi)。程序涉及的置換密碼使用一個整數(shù)作為密鑰，并存儲在myKey中，同時，程序需要一個變量 myMode 存儲字符串encrypt或decrypt以決定對 inputFilename 存儲的文件進行何種操作。在讀取 inputFilename 文件之前，首先要使用 os.path.exists() 檢查該文件是否存在。

6　檢查文件是否存在

讀取文件往往不會存在什么危害，但往文件中寫入內(nèi)容時就需要多加小心了，這是因為以寫模式調(diào)用open()方法時，若原文件已存在，會覆蓋掉原文件中的內(nèi)容。針對這個潛在問題，程序可以使用os.path.exists() 方法，檢查要打開的文件是否已經(jīng)存在。

6.1　os.path.exists() 方法

os.path.exists()方法只有一個參數(shù)，即文件名或指向文件的文件路徑，如果文件存在，則返回True；否則返回False。該方法包含在path模塊內(nèi)，而path模塊包含在 os 模塊中，因此引入 os 模塊時，path模塊一并被引入了。

將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境。

　 >>> import os ? >>> os.path.exists('spam.txt')　 False　 >>> os.path.exists('C:\\\Windows\\\System32\\\calc.exe') # Windows　 True　 >>> os.path.exists('/usr/local/bin/idle3') # macOS　 False　 >>> os.path.exists('/usr/bin/idle3') # Linux　 False

在本例中，os.path.exists()方法證實了Windows系統(tǒng)中存在calc.exe文件。當然，只有在Windows系統(tǒng)下運行Python的時候，才能得到上面的結(jié)果。記住，在Windows下輸入文件路徑時，要在反斜杠前再添加一個反斜杠進行轉(zhuǎn)義。如果使用的是macOS，則上述代碼中只有macOS的樣例會返回True，同理在Linux系統(tǒng)下只有最后一個例子會返回True。如果沒有給出完整的路徑?，則Python會檢查當前的工作路徑；對IDLE交互式運行環(huán)境而言，當前工作路徑即安裝了Python的文件夾。

6.2　使用os.path.exists()方法檢查輸入的文件是否存在

本章程序的第14～17行使用了os.path.exists()檢查 inputFilename 中的文件是否存在，如果沒有這一步，就無法獲得用于加解密的文件。

14.　　 # 如果輸入文件不存在，則程序提前終止15.　　 if not os.path.exists(inputFilename):16.　　　　 print('The file %s does not exist. Quitting...' % (inputFilename))17.　　　　 sys.exit()

若文件不存在，程序?qū)橛脩魪棾鎏崾静⑼顺觥?/p>7　使用字符串方法令用戶的輸入更靈活

接下來，程序需要檢查是否存在與 outputFilename 同名的文件，如果存在，則詢問用戶是輸入c繼續(xù)運行程序還是輸入q退出程序。由于用戶可能會輸入多種回復，例如c、C，甚至是單詞Continue，因此程序需要確?？梢越邮账羞@些輸入，要實現(xiàn)這一功能，必須使用更多字符串方法。

7.1　upper()、lower()和title()字符串方法

upper()和lower()方法能夠分別以全大寫和全小寫返回它們所接收的字符串。將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境中以分辨這兩個方法是如何對同一個字符串進行操作的。

>>> 'Hello'.upper()'HELLO'>>> 'Hello'.lower()'hello'

lower()、upper()方法以小寫和大寫的形式返回字符串，title()方法也和它們類似，然而該方法返回的是各單詞首字母大寫的字符串，這意味著字符串中的每個單詞的首字母是大寫，而其余所有字母都是小寫。將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境中。

>>> 'hello'.title()'Hello'>>> 'HELLO'.title()'Hello'>>> 'extra! extra! man bites shark!'.title()'Extra! Extra! Man Bites Shark!'

本章程序會在稍后部分使用title()方法，來為輸出的信息格式化。

7.2　startswith()和endswith()方法

若字符串以參數(shù)指定的字符串開頭，則startwith()方法返回True。將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境。

　>>> 'hello'.startswith('h')　True　>>> 'hello'.startswith('H')　False　>>> spam = 'Albert' ? >>> spam.startswith('Al')　True

startswith()方法對大小寫敏感，同時也可以接收多字符的字符串?。

endswith()方法用于檢查字符串是否以某一個特定字符串結(jié)尾。將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境。

　>>> 'Hello world!'.endswith('world!')　True? >>> 'Hello world!'.endswith('world')　False

字符串的匹配必須一字不差，注意，由于?中缺少感嘆號，因此endswith()的返回結(jié)果為False。

7.3　在程序中使用上述字符串方法

之前提到過，程序需要能夠接收所有以字母C開頭的響應，無論大小寫，這意味著不管用戶輸入的是C、continue、c還是其他以C開頭的字符串，程序都需要對文件進行重寫。使用lower()和upper()方法可以使程序在處理用戶輸入的字符串時更加靈活。

19.　　 # 如果輸出文件已存在，則給用戶退出的機會20.　　 if os.path.exists(outputFilename):21.　　　　 print('This will overwrite the file %s. (C)ontinue or (Q)uit?' %　　　　　　　(outputFilename))22.　　　　 response = input('> ')23.　　　　 if not response.lower().startswith('c'):24.　　　　　　 sys.exit()

第23行，取字符串的首字母并使用startswith()方法來檢查它是否為C。由于startswith()方法大小寫敏感且檢查的是小寫的 ‘c’，因此在調(diào)用它之前使用lower()方法改變response字符串的首字母，使其保持為小寫的 ‘c’。如果用戶沒有輸入以C開頭的響應，則if的條件語句將得到True（因為其中包含一個not），于是sys.exit()語句被調(diào)用，程序終止。從技術上來說，用戶不需要輸入q來退出，任何不以C開頭的字符串都會導致 sys.exit() 方法的調(diào)用，從而使程序退出。

8　讀取作為輸入的文件

第27行，程序開始使用本章開頭討論過的文件對象方法。

26.　　 # 從輸入文件中讀取消息27.　　 fileObj = open(inputFilename)28.　　 content = fileObj.read()29.　　 fileObj.close()30.31.　　 print('%sing...' % (myMode.title()))

第27～29行打開了與inputFilename同名的文件，讀取它的內(nèi)容并存儲到變量 content 中，隨后關閉了文件。讀取完文件之后，第31行為用戶輸出了一行提示信息，告知他們加密或解密已經(jīng)開始。由于變量 myMode 中存儲著字符串encrypt或decrypt，調(diào)用title()字符串方法將它的首字母轉(zhuǎn)換為大寫，又在它之后添加了ing字符串，因此最終它顯示的內(nèi)容是 Encrypting…或者Decrypting…。

9　計算加/解密所需的時間

對一個文件進行全面的加/解密往往要比僅加/解密一個短短的字符串要耗時多，而用戶可能會想要了解加/解密文件的過程具體需要多長時間。程序可以使用 time 模塊計算加/解密過程所需的時間長度。

9.1　time模塊和time.time()方法

time.time()方法以浮點數(shù)的形式返回從1970年1月1日至當前時間的總秒數(shù)，這個數(shù)字被稱為UNIX時間戳。將下列代碼輸入交互式運行環(huán)境，觀察該方法的運行結(jié)果。

>>> import time>>> time.time()1540944000.7197928>>> time.time()1540944003.4817972

由于time.time()返回的是一個浮點數(shù)，因此它可以精確到毫秒。當然，time.time()顯示的時間由程序員調(diào)用它的時間決定，并且要將它轉(zhuǎn)化為正常的時間也有一定難度，比如很難看出 1540944000.7197928 就是2018年的10月30日（星期二）的下午5點左右。然而time.time()非常適合于比較兩次調(diào)用time.time()之間相差的秒數(shù)，因此程序可以使用它計算運行時間。

舉個例子，如果按照下述代碼，把前一段代碼中兩次調(diào)用time.time()的時間相減，就可以得到兩次調(diào)用中間經(jīng)過的時間了。

>>> 1540944003.4817972 - 1540944000.71979282.7620043754577637

如果想要編寫對日期和時間進行操作的代碼，可以查閱 datetime 模塊的相關資料。

9.2　在程序中使用time.time()方法

第34行，time.time()方法返回了當前時間并將其存儲到名為 startTime 的變量中；第35～38行根據(jù)變量 myMode 的值是encrypt還是decrpt來調(diào)用encryptMessage()或decryptMessage()。

33.　　 # 測量加/解密所需時間34.　　 startTime = time.time()35.　　 if myMode == 'encrypt':36.　　　　 translated = transpositionEncrypt.encryptMessage(myKey, content)37.　　 elif myMode == 'decrypt':38.　　　　 translated = transpositionDecrypt.decryptMessage(myKey, content)39.　　 totalTime = round(time.time() - startTime, 2)40.　　 print('%sion time: %s seconds' % (myMode.title(), totalTime))

加/解密完成后，第39行再次調(diào)用了time.time()方法，并用這次調(diào)用的時間減去startTime，得到的結(jié)果是兩次調(diào)用time.time()方法的間隔時間。time.time() - startTime表達式將所得結(jié)果傳給round()方法，也就是將其取整，因為程序并不需要精確到毫秒。這個整數(shù)值賦值給了變量 totalTime。第40行使用了字符串連接，并為用戶打印了程序所處的模式及用于加密或解密的時長。

10　將輸出寫入文件

加密后（或解密后）的文件內(nèi)容現(xiàn)在存儲在變量translated中，但這個變量在程序終止時就會被釋放，因此需要一個文件來存儲這個字符串，這樣哪怕程序停止執(zhí)行，結(jié)果仍能保存。第43～45行的代碼進行了這部分操作，打開了一個新文件［將w傳給open()方法］并調(diào)用文件對象的write()方法。

42.　　 # 將置換后的消息寫入輸出文件43.　　 outputFileObj = open(outputFilename, 'w')44.　　 outputFileObj.write(translated)45.　　 outputFileObj.close()

接下來在第47行和第48行打印了更多信息，告知用戶輸出文件的名稱及加/解密過程已經(jīng)結(jié)束。

47.　　 print('Done %sing %s (%s characters).' % (myMode, inputFilename,　　　　　len(content)))48.　　 print('%sed file is %s.' % (myMode.title(), outputFilename))

第48行是main()函數(shù)的最后一行。

11　調(diào)用main()函數(shù)

第53行和第54行（在第6行def語句執(zhí)行之后被執(zhí)行的兩行）調(diào)用了main()函數(shù)，前提是當前程序處于運行狀態(tài)而非被引用的狀態(tài)下。

51. # 如果運行 transpositionCipherFile.py （而不是作為模塊引入），則52. # 調(diào)用main() 函數(shù)53. if __name__ == '__main__':54.　　 main()

7.12節(jié)對這部分進行了詳細解釋。

12　小結(jié)

除了open()、read()、write()和close()這些幫助我們在硬盤上加密大文本文件的函數(shù)，transpositionFileCipher.py 程序中沒有包含太多的新內(nèi)容。讀者學到了如何使用 os.path.exists()函數(shù)檢查文件是否已經(jīng)存在。同時如讀者所見，編程時可以通過在新程序中引入之前所寫程序的函數(shù)來拓展程序的能力，這大大增長了計算機加密信息的能力。

除此之外，讀者也學習到了一些有用的字符串方法，它們使得程序在接收yoghurt輸入時更加靈活；time模塊也可以幫助計算程序運行的時間。

和實現(xiàn)凱撒密碼的程序不同的是，如果想要使用暴力算法破解通過置換密碼加密的文件，會出現(xiàn)太多可能的密鑰。但如果編寫一個能夠識別英語（和其他無意義的亂碼）的程序，計算機就可以檢查成千上萬種解密結(jié)果，并確定一把可以成功將密文解密為英語的密鑰。這在第11章中會詳細介紹。

本文摘自《Python密碼學編程 第2版》

易懂的密碼學，暢銷書全面升級Python編程實現(xiàn)加密算法的初學者指南

通過閱讀本書，您將學習如何通過 Python 編程制作和破解密碼，以此創(chuàng)建和發(fā)送密文！學習 Python 編程的基礎 知識之后，您將從使用反向和凱撒密碼的簡單程序開始，了解為公開密鑰加密的方法，該加密方法用于保護在線事務的 正常運作，包括數(shù)字簽名和電子郵件。另外，您還將學習如何使用經(jīng)典密碼（如置換密碼和維吉尼亞密碼）對文本進行加密。 每個程序都包含完整的代碼和逐行說明。本書結(jié)尾，您將學習如何使用 Python 進行編碼。