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@mikan26980(よしだ)

sha256くんを自作した

Last updated at Posted at 2025-07-18

C言語でSHA256を自作した

ある日、うちの学校でのチーム課題でこのようなものを出された

  1. webアプリを作成してください
  2. Laravel以外のパッケージを使わないでください
  3. php以外のサーバを建てないでください

私の個人的な野望

JSON Web Tokenを使用して開発をしてみたい
JWTでアカウントのセッション管理をしてみてぇ！

だがしかし…

Laravel以外のパッケージを使用しないでください
なんてことだ…
firebase/php-jwtくんが使えないじゃないか…
…ないなら作ればいいか☆
そういやphpにはFFIとかいう標準機能があったな…
というわけでどうせならということで

作った

sha256.c
#include "sha256.h"
#include <string.h> 
#include <stdint.h> 
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 

// junkan_shift_rightくんのおしゃれな書き方…　この数年で私は成長しました
#define ROTR(x, n) (((x) >> (n)) | ((x) << (32 - (n))))

// 初期ハッシュ値 (H0-H7)
static const uint32_t H[] = {
    0x6a09e667UL, 0xbb67ae85UL, 0x3c6ef372UL, 0xa54ff53aUL,
    0x510e527fUL, 0x9b05688cUL, 0x1f83d9abUL, 0x5be0cd19UL
};

// ラウンド定数 (K0-K63)
static const uint32_t K[] = {
    0x428a2f98UL, 0x71374491UL, 0xb5c0fbcfUL, 0xe9b5dba5UL, 0x3956c25bUL, 0x59f111f1UL, 0x923f82a4UL, 0xab1c5ed5UL,
    0xd807aa98UL, 0x12835b01UL, 0x243185beUL, 0x550c7dc3UL, 0x72be5d74UL, 0x80deb1feUL, 0x9bdc06a7UL, 0xc19bf174UL,
    0xe49b69c1UL, 0xefbe4786UL, 0x0fc19dc6UL, 0x240ca1ccUL, 0x2de92c6fUL, 0x4a7484aaUL, 0x5cb0a9dcUL, 0x76f988daUL,
    0x983e5152UL, 0xa831c66dUL, 0xb00327c8UL, 0xbf597fc7UL, 0xc6e00bf3UL, 0xd5a79147UL, 0x06ca6351UL, 0x14292967UL,
    0x27b70a85UL, 0x2e1b2138UL, 0x4d2c6dfcUL, 0x53380d13UL, 0x650a7354UL, 0x766a0abbUL, 0x81c2c92eUL, 0x92722c85UL,
    0xa2bfe8a1UL, 0xa81a664bUL, 0xc24b8b70UL, 0xc76c51a3UL, 0xd192e819UL, 0xd6990624UL, 0xf40e3585UL, 0x106aa070UL,
    0x19a4c116UL, 0x1e376c08UL, 0x2748774cUL, 0x34b0bcb5UL, 0x391c0cb3UL, 0x4ed8aa4aUL, 0x5b9cca4fUL, 0x682e6ff3UL,
    0x748f82eeUL, 0x78a5636fUL, 0x84c87814UL, 0x8cc70208UL, 0x90befffaUL, 0xa4506cebUL, 0xbef9a3f7UL, 0xc67178f2UL
};

// ビッグエンディアンからホストバイトオーダーへの変換 (32ビット)
static uint32_t big_endian_to_host_32(const unsigned char *bytes) {
    return ((uint32_t)bytes[0] << 24) |
           ((uint32_t)bytes[1] << 16) |
           ((uint32_t)bytes[2] << 8)  |
           ((uint32_t)bytes[3]);
}

// ホストバイトオーダーからビッグエンディアンへの変換 (32ビット)
static void host_to_big_endian_32(uint32_t val, unsigned char *bytes) {
    bytes[0] = (unsigned char)((val >> 24) & 0xFF);
    bytes[1] = (unsigned char)((val >> 16) & 0xFF);
    bytes[2] = (unsigned char)((val >> 8) & 0xFF);
    bytes[3] = (unsigned char)(val & 0xFF);
}

void sha256_hash(const unsigned char *message, size_t len, unsigned char *output_hash) {
    uint32_t h[8];
    memcpy(h, H, sizeof(H)); // 初期ハッシュ値をコピー

    // メッセージのパディング
    size_t original_len_bits = len * 8;
    size_t padded_len_bits = ((original_len_bits + 1 + 64 + 511) / 512) * 512; // +1 for '1', +64 for length, +511 for ceiling to 512 multiple
    size_t padded_len_bytes = padded_len_bits / 8;

    unsigned char *padded_message = (unsigned char *)malloc(padded_len_bytes);
    if (padded_message == NULL) {
        // エラー処理
        return;
    }
    memset(padded_message, 0, padded_len_bytes);
    memcpy(padded_message, message, len);

    padded_message[len] = 0x80; // '1'ビットを追加

    // 元の長さを64ビットで追加 (ビッグエンディアン)
    uint64_t original_len_bits_be = (uint64_t)original_len_bits;
    // ホストバイトオーダーからビッグエンディアンへの変換
    padded_message[padded_len_bytes - 8] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 56) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 7] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 48) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 6] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 40) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 5] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 32) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 4] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 24) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 3] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 16) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 2] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 8) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 1] = (unsigned char)(original_len_bits_be & 0xFF);

    // 512ビットのブロックごとに処理
    for (size_t i = 0; i < padded_len_bytes; i += 64) {
        uint32_t w[64];
        // 最初の16ワード
        for (int j = 0; j < 16; ++j) {
            w[j] = big_endian_to_host_32(&padded_message[i + j * 4]);
        }

        // 17番目以降のワードを生成
        for (int j = 16; j < 64; ++j) {
            uint32_t s0 = ROTR(w[j-15], 7) ^ ROTR(w[j-15], 18) ^ (w[j-15] >> 3);
            uint32_t s1 = ROTR(w[j-2], 17) ^ ROTR(w[j-2], 19) ^ (w[j-2] >> 10);
            w[j] = (w[j-16] + s0 + w[j-7] + s1); // & 0xFFFFFFFF はuint32_tで自動的に行われる
        }

        // 圧縮関数 (ワーキング変数の初期化)
        uint32_t a = h[0];
        uint32_t b = h[1];
        uint32_t c = h[2];
        uint32_t d = h[3];
        uint32_t e = h[4];
        uint32_t f = h[5];
        uint32_t g = h[6];
        uint32_t _h = h[7];

        // 64ラウンドの計算
        for (int j = 0; j < 64; ++j) {
            uint32_t S1 = ROTR(e, 6) ^ ROTR(e, 11) ^ ROTR(e, 25);
            uint32_t ch = (e & f) ^ (~e & g);
            uint32_t temp1 = (_h + S1 + ch + K[j] + w[j]);

            uint32_t S0 = ROTR(a, 2) ^ ROTR(a, 13) ^ ROTR(a, 22);
            uint32_t maj = (a & b) ^ (a & c) ^ (b & c);
            uint32_t temp2 = (S0 + maj);

            _h = g;
            g = f;
            f = e;
            e = (d + temp1);
            d = c;
            c = b;
            b = a;
            a = (temp1 + temp2);
        }

        // ハッシュ値の更新
        h[0] += a;
        h[1] += b;
        h[2] += c;
        h[3] += d;
        h[4] += e;
        h[5] += f;
        h[6] += g;
        h[7] += _h;
    }

    // 最終的なハッシュ値の生成
    // 8つの32ビット値をビッグエンディアンのバイト配列に変換
    for (int j = 0; j < 8; ++j) {
        host_to_big_endian_32(h[j], &output_hash[j * 4]);
    }

    free(padded_message);
}

自力+AI... AI9割かもしれない

各部説明

使用する定数たち


// 初期ハッシュ値 (H0-H7)
static const uint32_t H[] = {
    0x6a09e667UL, 0xbb67ae85UL, 0x3c6ef372UL, 0xa54ff53aUL,
    0x510e527fUL, 0x9b05688cUL, 0x1f83d9abUL, 0x5be0cd19UL
};

// ラウンド定数 (K0-K63)
static const uint32_t K[] = {
    0x428a2f98UL, 0x71374491UL, 0xb5c0fbcfUL, 0xe9b5dba5UL, 0x3956c25bUL, 0x59f111f1UL, 0x923f82a4UL, 0xab1c5ed5UL,
    0xd807aa98UL, 0x12835b01UL, 0x243185beUL, 0x550c7dc3UL, 0x72be5d74UL, 0x80deb1feUL, 0x9bdc06a7UL, 0xc19bf174UL,
    0xe49b69c1UL, 0xefbe4786UL, 0x0fc19dc6UL, 0x240ca1ccUL, 0x2de92c6fUL, 0x4a7484aaUL, 0x5cb0a9dcUL, 0x76f988daUL,
    0x983e5152UL, 0xa831c66dUL, 0xb00327c8UL, 0xbf597fc7UL, 0xc6e00bf3UL, 0xd5a79147UL, 0x06ca6351UL, 0x14292967UL,
    0x27b70a85UL, 0x2e1b2138UL, 0x4d2c6dfcUL, 0x53380d13UL, 0x650a7354UL, 0x766a0abbUL, 0x81c2c92eUL, 0x92722c85UL,
    0xa2bfe8a1UL, 0xa81a664bUL, 0xc24b8b70UL, 0xc76c51a3UL, 0xd192e819UL, 0xd6990624UL, 0xf40e3585UL, 0x106aa070UL,
    0x19a4c116UL, 0x1e376c08UL, 0x2748774cUL, 0x34b0bcb5UL, 0x391c0cb3UL, 0x4ed8aa4aUL, 0x5b9cca4fUL, 0x682e6ff3UL,
    0x748f82eeUL, 0x78a5636fUL, 0x84c87814UL, 0x8cc70208UL, 0x90befffaUL, 0xa4506cebUL, 0xbef9a3f7UL, 0xc67178f2UL
};

H[]には三乗根の少数部分を整数にしたものが入っている
W[]には平方根の少数部分を整数にしたものが入っている

ビックエンディアンくんの変換

// ビッグエンディアンからホストバイトオーダーへの変換 (32ビット)
static uint32_t big_endian_to_host_32(const unsigned char *bytes) {
    return ((uint32_t)bytes[0] << 24) |
           ((uint32_t)bytes[1] << 16) |
           ((uint32_t)bytes[2] << 8)  |
           ((uint32_t)bytes[3]);
}

// ホストバイトオーダーからビッグエンディアンへの変換 (32ビット)
static void host_to_big_endian_32(uint32_t val, unsigned char *bytes) {
    bytes[0] = (unsigned char)((val >> 24) & 0xFF);
    bytes[1] = (unsigned char)((val >> 16) & 0xFF);
    bytes[2] = (unsigned char)((val >> 8) & 0xFF);
    bytes[3] = (unsigned char)(val & 0xFF);
}

Cの辛い? 好き？なところ
数値型をbyteに変換すると、メモリ的には逆になっているから
それを治すためのプログラム

メッセージのパディング

// メッセージのパディング
    size_t original_len_bits = len * 8;
    size_t padded_len_bits = ((original_len_bits + 1 + 64 + 511) / 512) * 512; // +1 for '1', +64 for length, +511 for ceiling to 512 multiple
    size_t padded_len_bytes = padded_len_bits / 8;

    unsigned char *padded_message = (unsigned char *)malloc(padded_len_bytes);
    if (padded_message == NULL) {
        // エラー処理
        return;
    }
    memset(padded_message, 0, padded_len_bytes);
    memcpy(padded_message, message, len);

    padded_message[len] = 0x80; // '1'ビットを追加

    // 元の長さを64ビットで追加 (ビッグエンディアン)
    uint64_t original_len_bits_be = (uint64_t)original_len_bits;
    // ホストバイトオーダーからビッグエンディアンへの変換
    padded_message[padded_len_bytes - 8] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 56) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 7] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 48) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 6] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 40) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 5] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 32) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 4] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 24) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 3] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 16) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 2] = (unsigned char)((original_len_bits_be >> 8) & 0xFF);
    padded_message[padded_len_bytes - 1] = (unsigned char)(original_len_bits_be & 0xFF);

sha256は、メッセージを512bitを一ブロックとして変換する
これに加えて、メッセージの終了地点には80を、ブロックの最後には変換前のデータサイズを挿入する

立役者Wくん

    uint32_t w[64];
        // 最初の16ワード
        for (int j = 0; j < 16; ++j) {
            w[j] = big_endian_to_host_32(&padded_message[i + j * 4]);
        }

        // 17番目以降のワードを生成
        for (int j = 16; j < 64; ++j) {
            uint32_t s0 = ROTR(w[j-15], 7) ^ ROTR(w[j-15], 18) ^ (w[j-15] >> 3);
            uint32_t s1 = ROTR(w[j-2], 17) ^ ROTR(w[j-2], 19) ^ (w[j-2] >> 10);
            w[j] = (w[j-16] + s0 + w[j-7] + s1); // & 0xFFFFFFFF はuint32_tで自動的に行われる
        }

sha256の中の一番大事な部分
最初の16ワードは512bitをそのまま使用

ここから64ワードまでは先の16ワードを使用して計算していく
計算の細かいことは…コードから読み取るか先人たちの記事を読んで…
(まあ実際このままではあるんだが)

abcdefghくん

        uint32_t a = h[0];
        uint32_t b = h[1];
        uint32_t c = h[2];
        uint32_t d = h[3];
        uint32_t e = h[4];
        uint32_t f = h[5];
        uint32_t g = h[6];
        uint32_t _h = h[7];

        // 64ラウンドの計算
        for (int j = 0; j < 64; ++j) {
            uint32_t S1 = ROTR(e, 6) ^ ROTR(e, 11) ^ ROTR(e, 25);
            uint32_t ch = (e & f) ^ (~e & g);
            uint32_t temp1 = (_h + S1 + ch + K[j] + w[j]);

            uint32_t S0 = ROTR(a, 2) ^ ROTR(a, 13) ^ ROTR(a, 22);
            uint32_t maj = (a & b) ^ (a & c) ^ (b & c);
            uint32_t temp2 = (S0 + maj);

            _h = g;
            g = f;
            f = e;
            e = (d + temp1);
            d = c;
            c = b;
            b = a;
            a = (temp1 + temp2);
        }

        // ハッシュ値の更新
        h[0] += a;
        h[1] += b;
        h[2] += c;
        h[3] += d;
        h[4] += e;
        h[5] += f;
        h[6] += g;
        h[7] += _h;

一番最初のHくんを初期値として、W,Kを絡ませて変換をしていく
なんでか、どの記事を読んでもここabcdefghになってるのはなんでなんだろう

というわけで

for (int j = 0; j < 8; ++j) {
        host_to_big_endian_32(h[j], &output_hash[j * 4]);
}

あとはいい感じに変換してやれば…
出来上がり！

実践

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "sha256.h"
int main() {
    const char *input_text = "Hello world!";
    unsigned char output_hash[32];

    sha256_hash((const unsigned char *)input_text, strlen(input_text), output_hash);

    printf("入力: '%s'\n", input_text);
    printf("SHA-256 ハッシュ: ");
    for (int i = 0; i < 32; ++i) {
        printf("%02x", output_hash[i]);
    }
    printf("\n");


    return 0;
}

こいつは適当なテストコード
こいつのinput_textを変換しながら実行していく

結果

入力: 'Hello world!'
SHA-256 ハッシュ: c0535e4be2b79ffd93291305436bf889314e4a3faec05ecffcbb7df31ad9e51a

いいね！

入力: ''
SHA-256 ハッシュ: e3b0c44298fc1c149afbf4c8996fb92427ae41e4649b934ca495991b7852b855

この数列、一部の人は丸暗記してるって…ほんと？

入力: 'password'
SHA-256 ハッシュ: 5e884898da28047151d0e56f8dc6292773603d0d6aabbdd62a11ef721d1542d8

passwordってsha256だとこうなのか…覚えとこ

ちゃんとできてる！

終わりに

SHA256はhmacやらなんやらで、今後もまだ使用されていくhashの一つだと考えられるので、こうして学生の段階でロジックを学べたのは、幸運かもしれない
これからも現代技術のロジックを調べ、実装し、自分の糧としていきたい

...え？jwtにはsha256だけじゃなくて、base64もいるって？
よし、やるか…

続く…かもしれない

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