Java 實現凱撒密碼加解密算法完整代碼與原理解析

凱撒密碼原理

凱撒密碼 是最古老的替換加密技術之一，核心思想是將字母表中的每個字母向後（或向前）固定位移 k 位。本文實現經典的 位移 3 位 版本（k=3），僅處理英文字母，保持大小寫不敏感（統一轉小寫處理）。

完整可運行代碼

import java.util.regex.Pattern;

public class CaesarCipher {
    private static final String ALPHABET = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
    private static final int LEN = ALPHABET.length();
    private static final int SHIFT = 3; // 經典位移量

    public static void main(String[] args) {
        String plain = "newyork";
        String encrypted = encrypt(plain);
        String decrypted = decrypt(encrypted);
        
        System.out.println("明文: " + plain);
        System.out.println("密文: " + encrypted);   // qhzbrun
        System.out.println("解密: " + decrypted);   // newyork
    }

    /** 加密：字母後移 3 位 */
    public static String encrypt(String plainText) {
        if (plainText == null || plainText.isEmpty()) {
            System.out.println("輸入為空");
            return null;
        }
        if (!isAlphaOnly(plainText)) {
            System.out.println("僅支持英文字母");
            return null;
        }

        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        String lower = plainText.toLowerCase();
        
        for (char c : lower.toCharArray()) {
            int idx = ALPHABET.indexOf(c);
            // 處理邊界：x,y,z 循環到 a,b,c
            int newIdx = (idx + SHIFT) % LEN;
            sb.append(ALPHABET.charAt(newIdx));
        }
        return sb.toString();
    }

    /** 解密：字母前移 3 位 */
    public static String decrypt(String cipherText) {
        if (cipherText == null || cipherText.isEmpty()) {
            System.out.println("輸入為空");
            return null;
        }
        if (!isAlphaOnly(cipherText)) {
            System.out.println("僅支持英文字母");
            return null;
        }

        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        String lower = cipherText.toLowerCase();
        
        for (char c : lower.toCharArray()) {
            int idx = ALPHABET.indexOf(c);
            // 處理邊界：a,b,c 循環到 x,y,z
            int newIdx = (idx - SHIFT + LEN) % LEN;
            sb.append(ALPHABET.charAt(newIdx));
        }
        return sb.toString();
    }

    /** 驗證是否純英文字母 */
    private static boolean isAlphaOnly(String s) {
        return Pattern.matches("^[A-Za-z]+$", s);
    }
}

核心邏輯解析

關鍵點：使用模運算 % LEN 實現字母表循環，避免原代碼中繁瑣的 if (a == LEN-1) a = -1 邊界判斷。

安全性分析與擴展建議

• 極不安全：鍵空間僅 25 種（排除位移 0），極易暴力破解。
• 僅教學用途：理解替換密碼、模運算、字符編碼處理。
• 擴展方向：
  • 支援大小寫保持、數字、標點符號
  • 可配置位移量 k（仿射密碼、維熱納密碼）
  • 結合現代加密（AES、RSA）實現混合加密體系

總結

本文提供了簡潔、健壯、可擴展的凱撒密碼 Java 實現。通過模運算優雅處理邊界，正則驗證輸入，代碼結構清晰，適合初學者理解對稱加密基本原理與字符串處理技巧。