如何基于给定S盒实现eLeftQ位运算处理unsigned char数组？

已知如下S盒：

const unsigned char sbox[16][16] = {
  {0x5, 0xC, 0x1, 0x0, 0x2, 0xE, 0x9, 0x8, 0xF, 0xD, 0x3, 0xB, 0x7, 0xA, 0x4, 0x6},
  {0xF, 0x4, 0x3, 0xA, 0x8, 0xD, 0x6, 0x2, 0x5, 0xE, 0x1, 0x7, 0xB, 0x0, 0xC, 0x9},
  {0x6, 0x7, 0xD, 0x2, 0x0, 0x3, 0xF, 0xA, 0x9, 0x1, 0xE, 0x4, 0xC, 0x8, 0xB, 0x5},
  {0x8, 0xD, 0x7, 0x9, 0xF, 0x4, 0x0, 0x5, 0x2, 0xC, 0xB, 0x3, 0x1, 0x6, 0xE, 0xA},
  {0x4, 0xF, 0x0, 0x1, 0xD, 0x8, 0x7, 0xE, 0xC, 0x2, 0xA, 0x6, 0x9, 0x3, 0x5, 0xB},
  {0x9, 0xB, 0xE, 0x8, 0xA, 0x1, 0x5, 0x0, 0x6, 0x3, 0xD, 0xC, 0x4, 0x2, 0x7, 0xF},
  {0xA, 0x1, 0xC, 0xF, 0x9, 0xB, 0x2, 0x6, 0x0, 0x7, 0x4, 0xE, 0xD, 0x5, 0x3, 0x8},
  {0xE, 0x2, 0x9, 0x7, 0xC, 0x5, 0x1, 0x4, 0xD, 0xF, 0x6, 0xA, 0x0, 0xB, 0x8, 0x3},
  {0x7, 0x6, 0x8, 0xE, 0x3, 0x0, 0x4, 0x1, 0xB, 0xA, 0x2, 0xF, 0x5, 0xD, 0x9, 0xC},
  {0x2, 0xE, 0xB, 0x6, 0x5, 0xC, 0xA, 0xF, 0x8, 0x4, 0x7, 0x1, 0x3, 0x9, 0xD, 0x0},
  {0xB, 0x9, 0x2, 0xD, 0x1, 0xA, 0xC, 0x3, 0x7, 0x0, 0x8, 0x5, 0xF, 0xE, 0x6, 0x4},
  {0x0, 0x3, 0x4, 0x5, 0x6, 0x7, 0x8, 0x9, 0xA, 0xB, 0xC, 0xD, 0xE, 0xF, 0x1, 0x2},
  {0x3, 0x0, 0xF, 0xC, 0x7, 0x6, 0xD, 0xB, 0x1, 0x9, 0x5, 0x8, 0x2, 0x4, 0xA, 0xE},
  {0x1, 0xA, 0x5, 0x4, 0xB, 0x9, 0xE, 0x7, 0x3, 0x6, 0xF, 0x2, 0x8, 0xC, 0x0, 0xD},
  {0xD, 0x8, 0x6, 0xB, 0x4, 0xF, 0x3, 0xC, 0xE, 0x5, 0x9, 0x0, 0xA, 0x7, 0x2, 0x1},
  {0xC, 0x5, 0xA, 0x3, 0xE, 0x2, 0xB, 0xD, 0x4, 0x8, 0x0, 0x9, 0x6, 0x1, 0xF, 0x7},
};

需要实现eLeftQ运算，定义如下：

eLeft(Q,∗)l : Q^n → Q^n, a_0,...,a(n-1) → b_0,...,b_(n-1), b_0 = l ∗ a_0, b_i = b_(i−1) ∗ a_i, i = 1,...,n

其中*运算由上述S盒定义：x * y = sbox[x][y]，例如0x5 * 0xF = sbox[5][15] = 0xF，0xF * 0x5 = sbox[15][5] = 0x2。

当前需求：处理unsigned char数组，每个元素为8位，需按高4位→低4位的顺序，将每个4位作为运算单元，执行eLeftQ规则计算后替换原4位。示例流程：

• 初始值L=0xF（二进制1111），数组为{0xA2, 0x85}（对应二进制1010 0010、1000 0101）
• 步骤1：取第一个char的高4位0xA（10），计算sbox[0xF][0xA] = 0x0，替换后该char变为0x02（0000 0010）
• 步骤2：取该char的低4位0x2（2），计算sbox[0x0][0x2] = 0x1，替换后该char变为0x01（0000 0001）
• 步骤3：取第二个char的高4位0x8（8），计算sbox[0x1][0x8]得到结果，替换后更新该char。

原思路是提取4位转int计算后写回，但觉得低效且实现麻烦，求更优方案。

直接用位操作结合unsigned char的特性处理，无需额外类型转换，效率高且代码简洁。核心逻辑是：遍历数组每个字节，依次处理高4位和低4位，用当前状态值（初始为L）和提取的4位值直接索引S盒，得到结果后写回对应位，同时更新状态值。

代码实现 #

void eLeftQ_process(unsigned char* arr, size_t arr_len, unsigned char initial_L) {
    unsigned char current_state = initial_L;
    for (size_t i = 0; i < arr_len; ++i) {
        unsigned char byte = arr[i];
        
        // 处理高4位
        unsigned char high_nibble = (byte >> 4) & 0x0F;
        unsigned char new_high = sbox[current_state][high_nibble];
        byte = (byte & 0x0F) | (new_high << 4);
        current_state = new_high;
        
        // 处理低4位
        unsigned char low_nibble = byte & 0x0F;
        unsigned char new_low = sbox[current_state][low_nibble];
        byte = (byte & 0xF0) | new_low;
        current_state = new_low;
        
        arr[i] = byte;
    }
}

关键优化点 #

1. 无多余类型转换：所有操作均使用unsigned char完成，4位值范围0-15刚好匹配S盒索引，无需转int。
2. 直接位操作：
   • 提取高4位：(byte >> 4) & 0x0F，右移4位后保留低4位；
   • 提取低4位：byte & 0x0F；
   • 写回高4位：(byte & 0x0F) | (new_high << 4)，保留原低4位，替换高4位；
   • 写回低4位：(byte & 0xF0) | new_low，保留原高4位，替换低4位。
3. 状态链式更新：每处理完一个4位单元，立即将结果更新为下一次运算的状态值，完全符合eLeftQ的链式运算规则。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者wxist