Python微實(shí)踐 - 布萊切利莊園的秘密
? ? ? ?二戰(zhàn)時(shí)期，英國(guó)數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)之父Alan Turing在布萊切利莊園成功破譯了德軍密碼，為贏得世界反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利做出了重大貢獻(xiàn)。為了表達(dá)對(duì)前輩先賢的敬意，本微實(shí)踐取名為“布萊切利莊園的秘密”。
本文引用自作者編寫的下述圖書; 本文允許以個(gè)人學(xué)習(xí)、教學(xué)等目的引用、講授或轉(zhuǎn)載，但需要注明原作者"海洋餅干叔叔"；本文不允許以紙質(zhì)及電子出版為目的進(jìn)行抄摘或改編。
1.《Python編程基礎(chǔ)及應(yīng)用》，陳波，劉慧君，高等教育出版社。免費(fèi)授課視頻
2.《Python編程基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程》, 陳波，熊心志，張全和，劉慧君，趙恒軍， 高等教育出版社
3. 《簡(jiǎn)明C及C++語(yǔ)言教程》，陳波，待出版書稿。免費(fèi)授課視頻
? ? ? ?在人類尚未獲得足夠的算力之前，加密和解密都是手工進(jìn)行的。受限于有限的人工算力，加解密只能采取一些簡(jiǎn)單的方法，比如下面這種：
? ? ? ?信息的發(fā)送方和接收方同時(shí)持有如上表所示的明密文字母對(duì)照表，該對(duì)照表對(duì)任何第三方保密。加密時(shí)，按照該對(duì)照表，將明文中的a映射為f，b映射為v，…，z映射為t，即得密文。解密時(shí)，同樣按照該對(duì)照表，將密文中的f映射為a，v映射為b，…，t映射為z，即得明文。
??在隨書代碼的CH6子目錄下，文件article.txt包含了示例中的“明文”，其內(nèi)容引自一本著名的英文小說(shuō)：
??通過(guò)執(zhí)行CH6子目錄下的encode.py，可以將明文article.txt按前述加密方法加密成密文，文件名為encoded.txt：
? ? ? ?看起來(lái)，即便密文被第三方截獲，也難以解讀，實(shí)則不然。在正常的英文表達(dá)中，每個(gè)字母出現(xiàn)的頻率是有差異的，比如e的出現(xiàn)頻次通常最高的，而z、x、q則相較較低。這提供了一種解密思路：對(duì)密文中的字母出現(xiàn)頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中出現(xiàn)次數(shù)最高者極可能是e，次高者可能是t，最低者則可能是z、x或者q。
??應(yīng)用上述解密思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了下述解密程序：
??第2 ~ 4行：打開當(dāng)前工作路徑下的密文文件encoded.txt，將其中的內(nèi)容按字符串形式讀出，保存在變量s中。使用Python進(jìn)行文件讀寫的詳細(xì)方法，我們?cè)诘?章中討論。 請(qǐng)讀者留意第3行中l(wèi)ower()函數(shù)的存在，在整個(gè)解密過(guò)程中，我們統(tǒng)一使用小寫字母。
??第6 ~ 9行：借助于字典stats對(duì)密文中各字母的出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)完成后，stats中將得到形如{“a”:112, “x”:7, … “z”:3}的結(jié)果數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，我們使用for循環(huán)對(duì)密文s中的字符c逐一進(jìn)行處理，如果字符c是英文字母(使用成員函數(shù)isalpha()進(jìn)行判斷)，則將其在字典中的出現(xiàn)次數(shù)加1。請(qǐng)讀者留意get()函數(shù)的運(yùn)用，當(dāng)某個(gè)字母是首次發(fā)現(xiàn)時(shí)，其在字典中尚不存在，此時(shí)，get()函數(shù)將返回默認(rèn)值0。
??第11 ~ 14行：通過(guò)列表按統(tǒng)計(jì)的頻次對(duì)字母進(jìn)行降序排序。在字典中，鍵值對(duì)之間沒有前后之分，因此排序只能通過(guò)列表進(jìn)行。第11行將字典的鍵值對(duì)轉(zhuǎn)換為列表，其內(nèi)容形式為：[(“a”,112),( “q”,3),…,(“x”,7)]。第12行使用sort()函數(shù)對(duì)該列表進(jìn)行排序，排序時(shí)通過(guò)匿名函數(shù)獲取每個(gè)元組的下標(biāo)1值，即頻次做為排序依據(jù)。第13行使用列表推導(dǎo)語(yǔ)法將有序列表中的字母單獨(dú)提取出來(lái)，并使用空字符串””將所有字母串接在一起。如執(zhí)行結(jié)果的第1行所示，stats字符串的值為zufaolsjyedhpqrcvgiwnbmtkx，這表明在密文中，出現(xiàn)頻次最高的是z，然后是u，f，出現(xiàn)頻次最低是x。
??第16行：字符串codes給出了從正常語(yǔ)料庫(kù)中統(tǒng)計(jì)的字母出現(xiàn)頻次的降序排列。
??第19 ~ 24行：按照字母頻次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行解密。字符串stats給出了密文統(tǒng)計(jì)的字母頻次降序排列，字符串codes則給出了正常語(yǔ)料統(tǒng)計(jì)的字母頻次降序排列。粗略地，我們認(rèn)為，密文字母stats[i]對(duì)應(yīng)的明文字母即為codes[i]。在下述統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，z在密文中出現(xiàn)頻次最高，我們認(rèn)為它對(duì)應(yīng)明文字母e；u在密文中出現(xiàn)頻次為第二高，我們認(rèn)為它對(duì)應(yīng)明文字母t。
? ? ? ?解密過(guò)程中，我們使用for循環(huán)逐一處理密文s中的字符c。如果字符c是字母(isalpha())，首先通過(guò)stats.index(c)找到它在密文中的頻次排位，然后再以該頻次排位作為下標(biāo)，從codes中獲得對(duì)應(yīng)的明文字母，并將明文字母附加至明文字符串r。舉例，假設(shè)c為字母”f”，stats.index(c)的結(jié)果為下標(biāo)2，對(duì)照codes[2]，明文字母即為”a”。如代碼的第23 ~ 24行所示，對(duì)于那些不是字母的密文字符，直接將其附加至明文字符串r。
??第26 ~ 28行：將解密所得的明文字符串r寫入文件decoded.txt。
??使用Visual Studio Code打開解密文件decoded.txt，可見解密結(jié)果是正確的：
? ? ? ?需要說(shuō)明的是，由于密文較短，其字母頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果不一定能與正常語(yǔ)料統(tǒng)計(jì)的字母頻次完美對(duì)應(yīng)。此時(shí)，按上述方法得到解密結(jié)果可能并不十分準(zhǔn)確，比如z被錯(cuò)誤解讀成了q。在多數(shù)字母被正確解密的情況下，少數(shù)字母的錯(cuò)誤對(duì)應(yīng)關(guān)系容易通過(guò)人工進(jìn)行校正。
? ? ? ?源程序、數(shù)據(jù)文件下載：?請(qǐng)?jiān)跒g覽器中復(fù)制并錄入下述地址
http://codelearn.club/2023/07/secretgarden/secretgarden/secretgarden.zip
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《Python編程基礎(chǔ)及應(yīng)用》https://item.jd.com/12962124.html?
《Python編程基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程》https://item.jd.com/13218563.html
