Caesar cipher C语言如何实现加密解密？

凯撒密码是一种最简单的替换加密技术，它通过将明文中的每个字母替换为字母表中固定位置之后（或之前）的字母来实现加密。

核心思想

1. 密钥：一个整数 k，表示字母需要“移动”的位数。
2. 加密：对于明文中的每一个字母，将其在字母表中的位置向后移动 k 位，如果移动后超出了 'Z' 或 'z'，则从字母表的开头（'A' 或 'a'）继续。
   • 密钥 k=3，'A' -> 'D'，'B' -> 'E'，'X' -> 'A'，'y' -> 'b'。
3. 解密：加密的逆过程，将密文中的每一个字母向前移动 k 位。
   • 密钥 k=3，'D' -> 'A'，'E' -> 'B'，'A' -> 'X'，'b' -> 'y'。

C 语言实现步骤

我们将编写一个 C 程序,它包含以下功能：

1. 一个加密函数 caesar_encrypt。
2. 一个解密函数 caesar_decrypt。
3. 一个主函数 main 来演示如何使用这两个函数。

完整代码示例

下面是一个完整的、可运行的 C 语言程序。

#include <stdio.h>
#include <ctype.h> // 用于 isalpha(), isupper(), islower(), toupper(), tolower()
// 加密函数
void caesar_encrypt(char *text, int key) {
    // 遍历字符串中的每个字符
    for (int i = 0; text[i] != '\0'; i++) {
        // 检查字符是否是字母
        if (isalpha(text[i])) {
            // 确定是大写字母还是小写字母
            if (isupper(text[i])) {
                // 处理大写字母
                // 1. 转换为 0-25 的数字 (A=0, B=1, ..., Z=25)
                char original_pos = text[i] - 'A';
                // 2. 应用密钥并进行模 26 运算，防止溢出
                char new_pos = (original_pos + key) % 26;
                // 3. 将新数字转换回字母
                text[i] = 'A' + new_pos;
            } else {
                // 处理小写字母
                // 1. 转换为 0-25 的数字 (a=0, b=1, ..., z=25)
                char original_pos = text[i] - 'a';
                // 2. 应用密钥并进行模 26 运算
                char new_pos = (original_pos + key) % 26;
                // 3. 将新数字转换回字母
                text[i] = 'a' + new_pos;
            }
        }
        // 如果不是字母（如空格、标点符号），则不做处理，直接保留
    }
}
// 解密函数
void caesar_decrypt(char *text, int key) {
    // 解密就是加密的逆过程，即用 -key 进行加密
    // 为了处理负数，我们加上 26 再取模
    int decrypt_key = (-key) % 26;
    if (decrypt_key < 0) {
        decrypt_key += 26; // 确保密钥是正数
    }
    caesar_encrypt(text, decrypt_key);
}
int main() {
    char text[100];
    int key;
    // --- 加密演示 ---
    printf("凯撒密码加密演示\n");
    printf("请输入要加密的明文: ");
    fgets(text, sizeof(text), stdin); // 使用 fgets 安全地读取一行，包括空格
    printf("请输入密钥 (1-25): ");
    scanf("%d", &key);
    // 确保密钥在有效范围内
    key = key % 26;
    if (key <= 0) {
        key += 26; // 确保密钥是正数
    }
    // 加密前，先清除 fgets 可能留下的换行符
    text[strcspn(text, "\n")] = 0;
    printf("\n--- 加密过程 ---\n");
    printf("原始明文: %s\n", text);
    // 调用加密函数，注意 C 语言是传值，所以这里我们传递了字符串的地址
    // 为了在函数内修改原字符串，我们直接操作指针指向的内存
    // 为了不影响原数据，我们可以先复制一份
    char encrypted_text[100];
    strcpy(encrypted_text, text);
    caesar_encrypt(encrypted_text, key);
    printf("加密后密文: %s\n", encrypted_text);
    // --- 解密演示 ---
    printf("\n--- 解密过程 ---\n");
    printf("原始密文: %s\n", encrypted_text);
    char decrypted_text[100];
    strcpy(decrypted_text, encrypted_text);
    caesar_decrypt(decrypted_text, key);
    printf("解密后明文: %s\n", decrypted_text);
    return 0;
}

代码分步解析

头文件

#include <stdio.h>  // 用于输入输出函数，如 printf, scanf, fgets
#include <ctype.h>  // 用于字符处理函数，如 isalpha, isupper, islower

加密函数 caesar_encrypt(char *text, int key)

• char *text: 这是一个指向字符数组的指针，也就是我们常说的字符串，在 C 语言中，字符串是以数组形式存储的,我们通过指针直接修改这个数组的内容。
• int key: 加密密钥。
• for (int i = 0; text[i] != '\0'; i++): 循环遍历字符串，直到遇到字符串结束符 \0。
• if (isalpha(text[i])): isalpha() 是一个标准库函数，检查当前字符是否是字母（A-Z, a-z），如果不是字母（比如空格、数字、标点），我们就跳过它,保持不变。
• 大写字母处理:
  • char original_pos = text[i] - 'A';: 将字符 'A' 到 'Z' 映射到数字 0 到 25。'C' - 'A' = 2。
  • char new_pos = (original_pos + key) % 26;: 加上密钥，然后用 % 26（模26）取余，这是关键一步，确保了即使 key 很大（30），30 % 26 = 4，效果等同于移动 4 位，如果结果是 26 或更大，取模后会回到 0，实现了“循环”。
  • text[i] = 'A' + new_pos;: 将新的数字（0-25）转换回大写字母。'A' + 2 = 'C'。
• 小写字母处理: 逻辑与大写字母完全相同，只是基准从 'A' 换成了 'a'。

解密函数 caesar_decrypt(char *text, int key)

• 解密就是加密的逆操作，理论上，我们可以写一个几乎和加密一样的函数,只是用减法代替加法。
• 但为了代码复用，我们直接调用 caesar_encrypt 函数，只是传入的密钥是 -key。
• int decrypt_key = (-key) % 26;: 计算负的密钥。
• if (decrypt_key < 0) { decrypt_key += 26; }: C 语言的取模运算对于负数的结果可能因编译器而异，为了确保得到一个在 0-25 范围内的正数，如果结果是负数，我们加上 26，如果 key 是 3，-key % 26 可能是 -23，加上 26 后得到 3。key 是 5，-key % 26 是 -5，加上 26 后得到 21。encrypt(..., 21) 的效果和 decrypt(..., 5) 是一样的。

主函数 main()

• char text[100];: 定义一个足够大的字符数组来存储用户输入。
• fgets(text, sizeof(text), stdin);: 比 scanf 更安全的读取字符串的方式，因为它可以读取包含空格的整行,并且不会导致缓冲区溢出。
• text[strcspn(text, "\n")] = 0;: fgets 会读取用户输入的换行符 \n 并存入字符串，这行代码找到换行符的位置并将其替换为字符串结束符 \0,这样字符串看起来更干净。
• strcpy(encrypted_text, text);: 创建明文的副本进行加密，这样原始的 text 变量在解密时仍然可用。
• 我们分别调用加密和解密函数，并打印结果,清晰地展示了整个过程。

如何编译和运行

1. 将上面的代码保存为文件，caesar.c。
2. 打开终端或命令提示符。
3. 使用 GCC 编译器进行编译：

   gcc caesar.c -o caesar

4. 运行生成的可执行文件：

   ./caesar

示例运行:

凯撒密码加密演示
请输入要加密的明文: Hello World, this is a test!
请输入密钥 (1-25): 5
--- 加密过程 ---
原始明文: Hello World, this is a test!
加密后密文: Mjqqt Btwqi, ymnx nx f yjxy!
--- 解密过程 ---
原始密文: Mjqqt Btwqi, ymnx nx f yjxy!
解密后明文: Hello World, this is a test!

总结与改进

这个实现是凯撒密码的一个标准版本,你可以根据需要进行扩展：

• 文件加密/解密：修改 main 函数，让它从文件读取内容，加密/解密后再写回另一个文件。
• 更友好的交互：创建一个循环菜单，让用户可以选择加密、解密或退出程序。
• 处理非 ASCII 字符：当前的实现只处理英文字母，如果需要处理其他语言的字母（如带重音符号的法语字母）,需要更复杂的逻辑。
• 密钥安全性：凯撒密码非常容易被破解（暴力破解即可，因为只有 25 种可能的密钥），在实际应用中，绝不会使用如此简单的加密算法,它通常用于教学目的。