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大数运算

发布时间:2020-12-14 02:52:28 所属栏目:大数据 来源:网络整理
导读:??????? 在编写涉及密码学以及其他需要处理超出了普通的int,double型的范围的数据时,java提供java.math.BigInteger类来处理这类问题,除此之外,还可以用openssl来处理大型数据的运算。OpenSSL 是一个强大的安全套接字层密码库,囊括主要的密码算法、常用

??????? 在编写涉及密码学以及其他需要处理超出了普通的int,double型的范围的数据时,java提供java.math.BigInteger类来处理这类问题,除此之外,还可以用openssl来处理大型数据的运算。OpenSSL 是一个强大的安全套接字层密码库,囊括主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能及SSl协议,并提供丰富的应用程序供测试或其它目的使用。本文总结这两种方法的异同。

?????? 如果只看大数的普通算法,比如加减乘除等初级的算法,两者提供了非常相似的运算函数。

构造函数(初始函数)

java.math.Integer

BigInteger(byte[]) ??????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 把一个包含着(带正负号)整数的二进制补码的字节数组翻译为 BigInteger 。
BigInteger(int,byte[])?????????????????????????? 把一个整数的 sign-magnitude 表示法翻译为 BigInteger 。
BigInteger(int,int,Random) ?????????????????? 返回有指定 bitLength(可能是素数)的随机选择的 BigInter 。
BigInteger(int,Random) ????????????????????? 返回一个随机数,均匀分布在 [0,2**numBits - 1] 之间(假设由 rndSrc 提供一个公平的随机源) 。
BigInteger(String) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 把一个字符串翻译为一个 BigInteger ,该字符串包含可选的负号,后面跟着一个或多个十进制数字序列。
BigInteger(String,int)????????????????????? 把一个字符串翻译为一个 BigInteger ,该字符串包含可选的负号,后面跟着一个或多个指定进制的数字序列。

openssl

BIGNUM *BN_new(void);??? 新生成一个BIGNUM结构

void BN_free(BIGNUM *a);?? 释放一个BIGNUM结构,释放完后a=NULL;

void BN_init(BIGNUM *);??? 初始化所有项均为0,一般为BN_ init(&c)

void BN_clear(BIGNUM *a);? 将a中所有项均赋值为0,但是内存并没有释放

void BN_clear_free(BIGNUM *a); 相当与将BN_free和BN_clear综合,要不就赋值0,要不就释放空间。

基本计算函数

java.math.Integer


abs()
返回一个 BigInteger ,它等于该数字的绝对值。
add(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this + val) 。
and(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this & val) 。
andNot(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this & ~val) 。
bitCount()
返回该数的二进制补码表示中不包括符号位在内的位的个数。
bitLength()
返回该数的最小的二进制补码表示法中位的个数,
即 *不包括* 一个符号位,例如(ceil(log2(this <0 ? -this : this + 1))).
clearBit(int)
返回一个 BigInteger ,它等于该数指定位清零后所得的值。
compareTo(BigInteger)
根据该数字是小于、等于还是大于 val 返回 -1、0 或 1。
divide(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this / val) 。
divideAndRemainder(BigInteger)
返回一个包含两个 BigInteger 的数组。
doubleValue()
把该数字转换为一个 double 型。
equals(Object)
如果 x 是等于该数则返回 true 。
flipBit(int)
返回一个 BigInteger ,它等于该数指定位取反后所得的值。
floatValue()
把该数字转换为一个 float 型。
gcd(BigInteger)
返回值为 abs(this) 和 abs(val) 最大公分母的 BigInteger 。
getLowestSetBit()
返回该数最右端 (lowest-order)是 1 的位的索引值,
(即距最右 1 位之前的 0 位的个数 )。
hashCode()
为该对象计算一个散列码。
intValue()
把该数字转换为一个 int 值。
isProbablePrime(int)
如果该 BigInteger 是素数,则返回 true ;如果该 BigInteger 是合数则返回 false 。
longValue()
把该数字转换为一个 long 型值。
max(BigInteger)
返回 BigInteger ,其值是 this 和 val 中的较大者。
min(BigInteger)
返回 BigInteger ,其值是 this 和 val 中的较小者。
mod(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是(this mod m )。
modInverse(BigInteger)
返回 this 取模 m 的模多重逆。
modPow(BigInteger,BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this ** exponent) mod m 。
multiply(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this * val) 。
negate()
返回一个 BigInteger ,其值是 (-1 * this ) 。
not()
返回一个 BigInteger ,其值是 (~this) 。
or(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this | val) 。
pow(int)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this ** exponent) 。
remainder(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this % val) 。
setBit(int)
返回一个 BigInteger ,其值等于该数被设置指定位后所得的值。
shiftLeft(int)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this << n).
shiftRight(int)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this >> n).
signum()
返回该数值的符号(即根据该数的值是正、零或负返回 -1 、0 或 1)。
subtract(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this - val)。
testBit(int)
如果设置了指定位则返回 true 。
toByteArray()
返回该数值的二进制补码表示。
toString()
以 10 为基数返回表示该数的字符串。
toString(int)
以指定数为基数返回表示该数的字符串。
valueOf(long)
返回一个是指定值的 BigInteger 。
xor(BigInteger)
返回一个 BigInteger ,其值是 (this ^ val) 。

openssl

?int BN_add(BIGNUM *r,const BIGNUM *a,const BIGNUM *b); r=a+b
 int BN_sub(BIGNUM *r,const BIGNUM *b); r=a-b
 int BN_mul(BIGNUM *r,BIGNUM *a,BIGNUM *b,BN_CTX *ctx); r=a*b
 int BN_sqr(BIGNUM *r,BN_CTX *ctx); r=a*a,效率高于bn_mul(r,a,a)
 int BN_div(BIGNUM *dv,BIGNUM *rem,const BIGNUM *d,BN_CTX *ctx); d=a/b,r=a%b
 int BN_mod(BIGNUM *rem,const BIGNUM *m,BN_CTX *ctx); r=a%b
 int BN_nnmod(BIGNUM *rem,BN_CTX *ctx); r=abs(a%b)
 int BN_mod_add(BIGNUM *ret,BN_CTX *ctx); r=abs((a+b)%m))
 int BN_mod_sub(BIGNUM *ret,? BN_CTX *ctx); r=abs((a-b)%m))
 int BN_mod_mul(BIGNUM *ret,BN_CTX *ctx); ?r=abs((a*b)%m))
 int BN_mod_sqr(BIGNUM *ret,BN_CTX *ctx); ?r=abs((a*a)%m))
 int BN_exp(BIGNUM *r,BIGNUM *p,BN_CTX *ctx); r=pow(a,p)
 int BN_mod_exp(BIGNUM *r,const BIGNUM *p,? const BIGNUM *m,BN_CTX *ctx); ?r=pow(a,p)%M
 int BN_gcd(BIGNUM *r,BN_CTX *ctx); r=a,b最大公约数
 int BN_add_word(BIGNUM *a,BN_ULONG w);
 int BN_sub_word(BIGNUM *a,BN_ULONG w);
 int BN_mul_word(BIGNUM *a,BN_ULONG w);
 BN_ULONG BN_div_word(BIGNUM *a,BN_ULONG w);
 BN_ULONG BN_mod_word(const BIGNUM *a,BN_ULONG w);
 BIGNUM *BN_mod_inverse(BIGNUM *r,const BIGNUM *n,BN_CTX *ctx); 模逆,((a*r)%n==1).

????????? 可以看到,openssl提供了更多的组合,不过java的优势却也是可以自己随意将这些函数组合,往往openssl需要几行的代码java却可以一行写完(先不说写成一行能不能让明天的自己看懂的问题。。。)不过openssl可是专业的,除了这些基本函数之外还提供了许多其他的函数,可以让我们很方便的使用~

上下文情景函数,存储计算中的中间过程

BN_CTX *BN_CTX_new(void);申请一个新的上下文结构

void BN_CTX_init(BN_CTX *c);将所有的项赋值为0,一般BN_CTX_init(&c)

??void BN_CTX_free(BN_CTX *c);释放上下文结构,释放完后c=NULL;

复制以及交换函数

? BIGNUM *BN_copy(BIGNUM *a,const BIGNUM *b); 将b复制给a,正确返回a,错误返回NULL
? BIGNUM *BN_dup(const BIGNUM *a); 新建一个BIGNUM结构,将a复制给新建结构返回,错误返回NULL
? BIGNUM *BN_swap(BIGNUM *a,BIGNUM *b); 交换a,b

取位函数

?int BN_num_bytes(const BIGNUM *a); 返回a的位数,大量使用
 int BN_num_bits(const BIGNUM *a);
 int BN_num_bits_word(BN_ULONG w); 返回有意义比特的位数,例如0x00000432 为11。

比较函数

?int BN_cmp(BIGNUM *a,BIGNUM *b); ? -1 if a < b,0 if a == b and 1 if a > b.
 int BN_ucmp(BIGNUM *a,BIGNUM *b); ?比较a,b觉得值,返回值和上同。
 int BN_is_zero(BIGNUM *a);
 int BN_is_one(BIGNUM *a);
 int BN_is_word(BIGNUM *a,BN_ULONG w);
 int BN_is_odd(BIGNUM *a);????? ? 上面四个返回1,假如条件成立,否则将返回0

设置函数

?int BN_zero(BIGNUM *a); ? 设置a为0
 int BN_one(BIGNUM *a);? ?设置a为1
 const BIGNUM *BN_value_one(void); ?返回一个为1的大数
 int BN_set_word(BIGNUM *a,unsigned long w); ?设置a为w
 unsigned long BN_get_word(BIGNUM *a); ?假如a能表示为long型,那么返回一个long型数

随机数函数

?int BN_rand(BIGNUM *rnd,int bits,int top,int bottom); 产生一个加密用的强bits的伪随机数,若top=-1,最高位为0,top=0, 最高位为1,top=1,最高位和次高位为1,bottom为真,随机数为偶数 
?int BN_pseudo_rand(BIGNUM *rnd,int bottom); 产生一个伪随机数,应用于某些目的。
 int BN_rand_range(BIGNUM *rnd,BIGNUM *range); 产生的0<rnd<range
 int BN_pseudo_rand_range(BIGNUM *rnd,BIGNUM *range);

产生素数函数

BIGNUM *BN_generate_prime(BIGNUM *ret,int safe,BIGNUM *add,void (*callback)(int,void *),void *cb_arg); 产生一个bits位的素数,后面几个参数都可以为NULL
 int BN_is_prime(const BIGNUM *p,int nchecks,BN_CTX *ctx,void *cb_arg);

? 判断是否为素数,返回0表示成功,1表示错误概率小于0。25,-1表示错误

位数函数

?int BN_set_bit(BIGNUM *a,int n); 将a中的第n位设置为1,假如a小于n位将扩展
 int BN_clear_bit(BIGNUM *a,int n); 将a中的第n为设置为0,假如a小于n位将出错
 int BN_is_bit_set(const BIGNUM *a,int n); 测试是否已经设置,1表示已设置
 int BN_mask_bits(BIGNUM *a,int n); 将a截断至n位,假如a小于n位将出错
 int BN_lshift(BIGNUM *r,int n); a左移n位,结果存于r
 int BN_lshift1(BIGNUM *r,BIGNUM *a); ?a左移1位,结果存于r
 int BN_rshift(BIGNUM *r,int n); ?a右移n位,结果存于r
 int BN_rshift1(BIGNUM *r,BIGNUM *a); a左移1位,结果存于r

与字符串的转换函数

int BN_bn2bin(const BIGNUM *a,unsigned char *to); 将abs(a)转化为字符串存入to,to的空间必须大于BN_num_bytes(a)
 BIGNUM *BN_bin2bn(const unsigned char *s,int len,BIGNUM *ret); 将s中的len位的正整数转化为大数
 char *BN_bn2hex(const BIGNUM *a); 转化为16进制字符串
 char *BN_bn2dec(const BIGNUM *a); 转化为10进制字符串
 int BN_hex2bn(BIGNUM **a,const char *str); 同上理
 int BN_dec2bn(BIGNUM **a,const char *str); 同上理
 int BN_print(BIO *fp,const BIGNUM *a); 将大数16进制形式写入内存中
 int BN_print_fp(FILE *fp,const BIGNUM *a); 将大数16进制形式写入文件
 int BN_bn2mpi(const BIGNUM *a,unsigned char *to);
 BIGNUM *BN_mpi2bn(unsigned char *s,BIGNUM *ret);

OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分:SSL协议库、应用程序以及密码算法库。openssl除了基础运算函数非常丰富之外,作为一个基于密码学的安全开发包,OpenSSL提供的功能相当强大和全面,囊括了主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能以及SSL协议,并提供了丰富的应用程序供测试或其它目的使用。可以直接调用函数来调用常用的加密方法,RSA,AES,md5等等,非常实用。

(编辑:李大同)

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