Python Day17 常用模块 和 加解密操作 及例题分析
一、随机模块（random）
random模块提供多种生成随机数和操作随机序列的函数，常用于模拟、抽样、验证码生成等场景。
1. 核心函数
| 函数 | 功能描述 |
|---|---|
random() | 返回[0, 1)区间的随机小数 |
randrange(m, n) | 返回[m, n)区间的随机整数（n可省略，默认步长为 1） |
randint(m, n) | 返回[m, n]区间的随机整数（包含两端） |
choice(seq) | 从序列seq中随机返回 1 个元素 |
choices(seq, k=1) | 从序列seq中随机返回k个元素（允许重复，返回列表） |
sample(seq, k) | 从序列seq中随机返回k个元素（不重复，k≤序列长度，返回列表） |
shuffle(list) | 随机打乱列表元素（原地修改，无返回值） |
2. 示例代码
import random# 随机小数
print(random.random()) # 例如：0.7625546555381723# 随机整数
print(random.randrange(1, 5)) # 1-4的随机整数（不含5）
print(random.randint(1, 5)) # 1-5的随机整数（含5）# 序列随机选择
print(random.choice('12345')) # 从字符串中选1个字符
print(random.choices([1,2,3], k=2)) # 允许重复：例如 [3, 1]
print(random.sample([1,2,3], k=2)) # 不重复：例如 [2, 1]# 列表打乱
ls = [1,2,3,4]
random.shuffle(ls)
print(ls) # 例如：[3, 1, 4, 2]
二、字符串模块（string）
string模块定义了多种常用字符串常量，简化字符串处理（如生成验证码、格式化等）。
1. 常用常量
| 常量 | 描述 | |
|---|---|---|
ascii_lowercase | 小写字母：'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz' | |
ascii_uppercase | 大写字母：'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' | |
ascii_letters | 大小写字母组合（ascii_lowercase + ascii_uppercase） | |
digits | 数字：'0123456789' | |
punctuation | 标点符号：'!"#$%&\'()*+,-./:;<=>?@[\\]^_{ | }~'` |
whitespace | 空白符：' \t\n\r\v\f'（空格、制表符、换行等） |
2. 应用示例：生成随机验证码
需求：6 位长度，由字母（大小写）和数字组成。
import string
import randomdef generate_code():# 组合所有可能的字符（字母+数字）all_chars = string.ascii_letters + string.digits# 从组合中随机选择6个不重复字符，拼接为字符串return ''.join(random.sample(all_chars, 6))print(generate_code()) # 例如：'K3f7Lp'
三、数学模块（math）
math模块提供基础数学运算函数，支持数值计算、三角函数、代数运算等。
1. 核心函数与常量
| 分类 | 函数 / 常量 | 描述 |
|---|---|---|
| 取整 | floor(x) | 向下取整（如floor(3.8) → 3，floor(-3.2) → -4） |
ceil(x) | 向上取整（如ceil(3.2) → 4，ceil(-3.8) → -3） | |
| 公约数 / 阶乘 | gcd(*nums) | 求多个数的最大公约数（如gcd(18, 27) → 9） |
factorial(n) | 求n的阶乘（如factorial(5) → 120） | |
| 数值判断 | isinf(n) | 判断n是否为无穷大（如isinf(float('inf')) → True） |
isfinite(n) | 判断n是否为有限数（如isfinite(3.14) → True） | |
isnan(n) | 判断n是否为非数（如isnan(float('nan')) → True） | |
| 幂 / 根 | sqrt(n) | 求n的算术平方根（如sqrt(16) → 4.0） |
isqrt(n) | 求n的算术平方根的整数部分（如isqrt(17) → 4） | |
pow(x, y) | 求x的y次幂（等价于x**y） | |
| 三角函数 | sin(rad) | 正弦值（参数为弧度，如sin(pi/2) → 1.0） |
cos(rad) | 余弦值（如cos(pi) → -1.0） | |
tan(rad) | 正切值（如tan(pi/4) → 1.0） | |
| 常量 | pi | 圆周率（约 3.141592653589793） |
2. 角度与弧度转换
- 角度转弧度：
弧度 = 角度 × π / 180 - 弧度转角度：
角度 = 弧度 × 180 / π
3. 应用示例：计算时钟刻度坐标
import mathdef get_clock_locations(radius, center=(0, 0)):"""计算时钟12个刻度的坐标（以圆心为center，半径为radius）"""locations = []for hour in range(12):# 每个刻度与12点的夹角（30度/小时：360°÷12=30°）degrees = hour * 30# 角度转弧度radians = degrees * math.pi / 180# 计算坐标（基于圆心偏移）x = center[0] + radius * math.sin(radians)y = center[1] + radius - radius * math.cos(radians) # y轴向下为正locations.append((round(x, 2), round(y, 2)))return locationsprint(get_clock_locations(10))
# 输出示例：[(0.0, 20.0), (5.0, 18.66), (8.66, 15.0), ...]
四、加密模块（哈希、RSA 等）
加密技术用于数据安全传输和存储，常见分类包括不可逆加密、对称加密、非对称加密。
1. 不可逆加密（哈希算法）
- 特点：只能加密，无法解密，相同输入必产生相同输出。
- 常用算法：
md5、sha-1、sha-256（通过hashlib模块实现）。
示例：md5与sha-1加密
import hashlibpassword = "我爱你"
# 加密需先将字符串转为字节（utf-8编码）
md5_hash = hashlib.md5(password.encode()).hexdigest()
sha1_hash = hashlib.sha1(password.encode()).hexdigest()print("MD5加密结果：", md5_hash) # 32位字符串
print("SHA-1加密结果：", sha1_hash) # 40位字符串
2. 非对称加密（RSA）
- 特点：使用公钥加密、私钥解密，需安装第三方库
rsa（pip install rsa）。 - 应用：安全传输敏感信息（如密码、令牌）。
步骤 1：生成密钥对并保存
import rsa# 生成2048位密钥对（公钥+私钥）
public_key, private_key = rsa.newkeys(2048)# 保存公钥到文件（用于加密）
with open("public.pem", "wb") as f:f.write(public_key.save_pkcs1())# 保存私钥到文件（用于解密）
with open("private.pem", "wb") as f:f.write(private_key.save_pkcs1())
步骤 2：公钥加密
import rsa
import base64
from urllib.parse import quotemessage = "你好，老刘"# 加载公钥
with open("public.pem", "rb") as f:public_key = rsa.PublicKey.load_pkcs1(f.read())# 加密（结果为字节）
encrypted_bytes = rsa.encrypt(message.encode(), public_key)
# Base64编码为字符串（便于传输）
encrypted_text = base64.b64encode(encrypted_bytes).decode()
# URL转义（处理特殊字符如+、/、=）
encrypted_url = quote(encrypted_text)print("加密后（URL安全）：", encrypted_url)
步骤 3：私钥解密
import rsa
import base64
from urllib.parse import unquote# 加载私钥
with open("private.pem", "rb") as f:private_key = rsa.PrivateKey.load_pkcs1(f.read())# 解密步骤：URL解码 → Base64解码 → 私钥解密
encrypted_text = unquote(encrypted_url)
encrypted_bytes = base64.b64decode(encrypted_text.encode())
decrypted_message = rsa.decrypt(encrypted_bytes, private_key).decode()print("解密结果：", decrypted_message) # 输出：你好，老刘
3. 数字签名（防篡改）
- 原理：用私钥签名数据，用公钥验证，确保数据未被篡改。
示例：私钥签名与公钥验证
import rsa
import base64
from urllib.parse import quote, unquotemessage = "I love you!"# 私钥签名
with open("private.pem", "rb") as f:private_key = rsa.PrivateKey.load_pkcs1(f.read())
signature_bytes = rsa.sign(message.encode(), private_key, "SHA-1")
signature_text = quote(base64.b64encode(signature_bytes).decode())# 公钥验证
with open("public.pem", "rb") as f:public_key = rsa.PublicKey.load_pkcs1(f.read())
signature_bytes = base64.b64decode(unquote(signature_text).encode())
try:# 验证成功返回哈希算法，失败抛出异常hash_method = rsa.verify(message.encode(), signature_bytes, public_key)print("验证成功，哈希算法：", hash_method) # 输出：SHA-1
except rsa.VerificationError:print("验证失败，数据被篡改！")
五、第三方库安装
- 安装：
pip install <库名>（如pip install rsa）。 - 国内镜像：加速安装（如阿里云、豆瓣源），临时使用：
pip install <库名> -i https://pypi.douban.com/simple/ - 导出依赖：
pip freeze > requirements.txt（生成项目依赖列表）。 - 安装依赖：
pip install -r requirements.txt（批量安装依赖）。
以上整理覆盖了random、string、math模块的核心功能及加密技术的实践应用，通过示例代码强化对知识点的理解和使用。
一、随机模块应用
1. 生成 UUID
UUID 格式为xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx（8-4-4-4-12 结构），由0-9和a-f组成。
import randomdef generator_uuid():# 定义UUID允许的字符集chars = "0123456789abcdef"# 按格式生成各段并拼接return f"{''.join(random.choices(chars, k=8))}-" \f"{''.join(random.choices(chars, k=4))}-" \f"{''.join(random.choices(chars, k=4))}-" \f"{''.join(random.choices(chars, k=4))}-" \f"{''.join(random.choices(chars, k=12))}"# 测试
print(generator_uuid()) # 示例：f47ac10b-58cc-4372-a567-0e02b2c3d479
2. 生成唯一订单编号
订单编号格式：yyyyMMddHHmmss + 随机数字（随机数字长度默认为 5）。
import random
import timedef generator_ordernum(num=5):# 获取当前时间（年月日时分秒）timestamp = time.strftime("%Y%m%d%H%M%S", time.localtime())# 生成指定长度的随机数字（1-9，避免首位为0）random_suffix = ''.join(random.choices('123456789', k=num))return timestamp + random_suffix# 测试
print(generator_ordernum(num=5)) # 示例：2024072915304578923
二、数学模块应用：计算钟表刻度坐标
根据钟表外切正方形左上角坐标（center）和半径（radius），返回 12 个整点的坐标字典。
import mathdef get_clock_location(center=(0, 0), radius=100):location_dict = {}for hour in range(12):# 计算角度（每小时30度：360°÷12）degrees = hour * 30# 角度转弧度radians = degrees * math.pi / 180# 计算相对圆心的坐标（以钟表中心为原点）# 正弦对应x轴偏移，余弦对应y轴偏移（y轴向下为正）x = radius + math.sin(radians) * radiusy = radius - math.cos(radians) * radius# 加上外切正方形左上角坐标偏移actual_x = round(center[0] + x, 1)actual_y = round(center[1] + y, 1)location_dict[hour] = (actual_x, actual_y)return location_dict# 测试
print(get_clock_location(center=(0, 0), radius=100))
# 示例输出：{0: (100.0, 0.0), 1: (150.0, 13.4), ...}
三、随机日期生成与验证
生成 1900-2100 年的随机日期，验证合法性并计算星期和当年天数。
1. 核心函数
import randomdef generate_random_date():"""生成随机日期（年-月-日字符串）"""year = random.choice(range(1900, 2101))month = random.choice(range(1, 13))day = random.choice(range(1, 32))return f"{year}-{month}-{day}"def is_valid_date(date_str):"""验证日期合法性"""year, month, day = map(int, date_str.split('-'))# 大月（1,3,5,7,8,10,12）最多31天if month in [1,3,5,7,8,10,12] and day > 31:return False# 小月（4,6,9,11）最多30天if month in [4,6,9,11] and day > 30:return False# 2月：闰年29天，平年28天if month == 2:is_leap = (year % 4 == 0 and year % 100 != 0) or (year % 400 == 0)if day > 29 or (not is_leap and day > 28):return Falsereturn Truedef get_weekday(date_str):"""计算日期对应的星期（0=周一，6=周日）"""if not is_valid_date(date_str):return Noneyear, month, day = map(int, date_str.split('-'))# 调整月份和年份（Zeller公式适配）if month < 3:month += 12year -= 1c = year // 100 # 世纪y = year % 100 # 年份后两位# Zeller公式计算星期（0=周六，6=周五）w = (day + (13 * (month + 1)) // 5 + y + y//4 + c//4 - 2*c) % 7# 转换为0=周一，6=周日return (w + 5) % 7def get_day_of_year(date_str):"""计算日期是当年的第几天"""if not is_valid_date(date_str):return Noneyear, month, day = map(int, date_str.split('-'))# 每月天数（闰年2月29天）days_in_month = [31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31]if (year % 4 == 0 and year % 100 != 0) or (year % 400 == 0):days_in_month[1] = 29 # 闰年调整# 累加前几个月的天数return sum(days_in_month[:month-1]) + day
2. 测试代码
if __name__ == '__main__':date = generate_random_date()print(f"随机日期: {date}")if is_valid_date(date):print(f"日期合法")weekday_map = {0: "周一", 1: "周二", 2: "周三", 3: "周四", 4: "周五", 5: "周六", 6: "周日"}print(f"星期: {weekday_map[get_weekday(date)]}")print(f"当年第{get_day_of_year(date)}天")else:print("日期不合法")
四、加密工具类（Security）
封装 MD5、SHA256 加密及 RSA 签名 / 验证、加解密功能。
import hashlib
import rsa
import base64
from urllib.parse import quote, unquoteclass Security:@classmethoddef md5(cls, text: str) -> str:"""MD5加密"""return hashlib.md5(text.encode()).hexdigest()@classmethoddef sha256(cls, text: str) -> str:"""SHA256加密"""return hashlib.sha256(text.encode()).hexdigest()@classmethoddef sign(cls, message: str, private_key, hash_method='MD5') -> str:"""私钥签名（返回Base64编码）"""signature = rsa.sign(message.encode(), private_key, hash_method)return base64.b64encode(signature).decode()@classmethoddef sign2(cls, message: str, private_key, hash_method='MD5') -> str:"""私钥签名（返回URL编码）"""return quote(cls.sign(message, private_key, hash_method))@classmethoddef verify(cls, message: str, signature: str, public_key, hash_method=None) -> bool:"""公钥验证签名"""try:signature_bytes = base64.b64decode(unquote(signature).encode())rsa.verify(message.encode(), signature_bytes, public_key)return Trueexcept rsa.VerificationError:return False@classmethoddef encrypt(cls, message: str, public_key) -> str:"""公钥加密（返回Base64编码）"""encrypted = rsa.encrypt(message.encode(), public_key)return base64.b64encode(encrypted).decode()@classmethoddef decrypt(cls, secure_text: str, private_key) -> str:"""私钥解密"""encrypted_bytes = base64.b64decode(secure_text)return rsa.decrypt(encrypted_bytes, private_key).decode()
五、URL 签名与验证
对 URL 参数进行签名并验证，确保参数未被篡改。
1. URL 签名（添加sign参数）
def add_sign(url: str, private_key, hash_method="MD5") -> str:"""对URL参数签名并拼接sign参数"""# 分离基础URL和参数base_url, params = url.split('?')# 生成签名signature = Security.sign(params, private_key, hash_method)# URL编码签名并拼接return f"{url}&sign={quote(signature)}"
2. URL 验证（验证sign参数）
def verify_url(url: str, public_key, hash_method="MD5") -> bool:"""验证URL参数签名合法性"""# 分离参数和签名params_part, signature = url.split('&sign=')# 提取原始参数（不含sign）params = params_part.split('?')[1]# 验证签名return Security.verify(params, signature, public_key, hash_method)
3. 测试代码
if __name__ == '__main__':# 生成RSA密钥对public_key, private_key = rsa.newkeys(2048)# 原始URLurl = "https://www.test.com/abc?a=1&b=2&c=3"print(f"原始URL: {url}")# 签名URLsigned_url = add_sign(url, private_key)print(f"签名后URL: {signed_url}")# 验证签名is_valid = verify_url(signed_url, public_key)print(f"签名验证结果: {'合法' if is_valid else '非法'}")
以上整理覆盖了随机模块、数学模块的实际应用，以及加密技术在 URL 安全中的实践，通过函数封装和示例代码强化了可复用性和理解。