ハッシュ関数の仕組みと使い方をやさしく解説

2025年10月26日

その他

プログラミングでよく耳にするハッシュ関数は、データを短い「指紋」のような値に変換する仕組みです。

長い文章や大きなファイルでも、決まった長さのハッシュ値に変わります。

この記事では、基本の考え方から、実際の使い道、PythonやJavaScriptでの計算方法まで、初心者の方にもわかりやすく順を追って解説します。

ハッシュ関数とは

ハッシュ値とは何か

一言でいうと

ハッシュ関数とは、どんな長さのデータでも入力でき、固定長のハッシュ値へと変換する関数のことです。

このハッシュ値は、元のデータの「要約」や「指紋」のような役割を持ちます。

具体例(短いデータと長いデータ)

短い文字列(例: “Hello”)も、数GBある動画ファイルも、ハッシュ関数にかけると同じ長さの出力になります。

例えば、SHA-256なら常に64文字の16進数(256ビット)が得られます。

入力が長くても、出力は一定という点が特徴です。

主な性質の早見表

以下は、よく語られる性質の概要です。

性質	かんたんな説明
固定長出力	入力の大きさに関係なく、決まった長さの値になる
決定的	同じ入力は必ず同じハッシュ値になる
微小差で大差	入力をわずかに変えると、ハッシュ値は大きく変わる
一方向性	ハッシュ値から元のデータには戻せない
衝突可能性	異なる入力が同じハッシュ値になる可能性が理論上ある

ハッシュは圧縮でも暗号化でもありません。

圧縮は元に戻せますが、ハッシュは戻せません。

暗号化は鍵があれば復号できますが、ハッシュに鍵はありません。

代表的な用途のイメージ

身近なたとえ

荷物に貼る追跡番号のように、ハッシュ値は大きな中身を開けなくても一致確認を助けます。

中身そのものではなく、中身から作られた短いラベルで照合できるイメージです。

実務でよく使う場面

ダウンロードしたファイルの整合性チェック、重複ファイルの発見、データベースの高速検索、APIの署名、そしてパスワードの保存などに使われます。

ハッシュがあることで「同じかどうか」を素早く、安全に確かめられます。

ハッシュ関数の仕組みと特徴

入力と出力

固定長の出力

ハッシュ関数は入力サイズに関係なく、固定長のハッシュ値を返します。

SHA-256ならいつでも256ビットです。

これにより、比較や保存が効率的になります。

大きなデータも分割して処理

内部的にはブロックごとにデータを処理し、最終的な1つの値にまとめます。

この仕組みによって、非常に大きなファイルでも少ないメモリで計算できます。

ファイル全体を一気に読み込まなくても、順次読み込みで正しいハッシュが得られます。

同じ入力は同じハッシュ値

再現性がある

ハッシュ関数は決定的です。

同じ関数に同じ入力を与えれば、いつ、どこで計算しても同じハッシュ値が得られます。

これはデータ照合にとても重要です。

注意点

文字エンコーディングの違い(UTF-8など)や、改行コードの違いは入力を変えてしまいます。

異なる環境で同じハッシュを得たい場合は、入力形式をそろえることが大切です。

少しの違いで値が大きく変わる

ドラスティックに変わる

入力の1文字を変えるだけで、ハッシュ値はほぼ別物になります。

たとえば”Hello”と”hello”では、SHA-256の結果は大きく異なります。

この性質があるからこそ、変更や改ざんの検出に強いのです。

衝突

衝突とは

衝突とは、異なる入力なのに同じハッシュ値になることです。

出力の長さが有限のため、理論的には避けられません。

なぜ大問題になりやすいのか

単なる重複検出なら衝突の確率は非常に低く、現実にはほとんど問題になりません。

しかし、攻撃者が意図的に衝突を作ると、安全面で問題になります。

MD5やSHA-1はこうした攻撃が現実的となっており、重要用途では避けるべきです。

どう対処するか

安全性が必要なら、SHA-256やSHA-512、SHA-3、BLAKE2などの現行の安全な関数を選びます。

また、改ざん防止にはハッシュ単体ではなく、鍵を使う方法(HMACやデジタル署名)を使うのが基本です。

一方向性

もとに戻せない

ハッシュ値から元のデータを復元する方法はありません。

これは設計上の性質です。

暗号化との違い

暗号化は鍵で復号できますが、ハッシュは戻せません。

「ハッシュ化=暗号化」ではない点を混同しないことが重要です。

この性質により、パスワードの保存などで原文を持たない運用が可能になります。

ハッシュ関数の使い方

データ照合

ダウンロードの検証

配布サイトに掲載されたハッシュ値と、自分がダウンロードしたファイルのハッシュ値を比べるだけで、途中で壊れていないかを確かめられます。

値が一致すれば、少なくとも偶発的な破損は否定できます。

検索を速くする

ハッシュテーブルのイメージ

データの「場所」をハッシュ値から素早く求めることで、平均して非常に速い検索ができます。

プログラミング言語の辞書型(dict、Map)は内部でハッシュを活用しています。

これは「高速な見つけやすさ」を実現するための使い方で、セキュリティ目的とは別です。

重複ファイルの判定

実務の手順

大量のファイルを重複チェックするときは、まずファイルサイズで絞り込み、その後SHA-256などでハッシュを取り、同じ値なら重複候補とみなします。

必要に応じてバイト単位の最終比較で完全一致を確定します。

これにより誤判定のリスクをさらに下げられます。

パスワード保存の基本

ソルトとストレッチング

パスワードは平文のまま保存してはいけません。

必ずユーザーごとにランダムなソルトを加え、計算を重くするKDF(Key Derivation Function)を使います。

適切なKDF

一般的にはArgon2、scrypt、bcryptなどを用います。

SHA-256のような高速ハッシュをそのままパスワードに使うのは推奨されません。

理由は、攻撃者が大量の試行を高速に行えるからです。

認証は実績あるライブラリを使い、パラメータ(メモリ、反復回数)を推奨値に合わせましょう。

Pythonでハッシュ値を計算

文字列のハッシュ(SHA-256)

Python

import hashlib

text = "Hello, world!"
h = hashlib.sha256(text.encode("utf-8")).hexdigest()
print(h)  # 64文字の16進数を出力

エンコーディングは”utf-8″など、送受信側で必ず統一してください。

ファイルのハッシュ(SHA-256)

Python

import hashlib

def sha256_file(path, chunk_size=1024 * 1024):
    hasher = hashlib.sha256()
    with open(path, "rb") as f:
        for chunk in iter(lambda: f.read(chunk_size), b""):
            hasher.update(chunk)
    return hasher.hexdigest()

print(sha256_file("example.zip"))

メモリに載せずに順次読み込むため、大きなファイルでも安全に処理できます。

JavaScriptでハッシュ値を計算

ブラウザ(Web Crypto APIでSHA-256)

JavaScript

async function sha256Hex(text) {
  const enc = new TextEncoder();
  const buf = await crypto.subtle.digest("SHA-256", enc.encode(text));
  const bytes = new Uint8Array(buf);
  return Array.from(bytes).map(b => b.toString(16).padStart(2, "0")).join("");
}

sha256Hex("Hello, world!").then(console.log);

Web Crypto APIは非同期で動作します。

ファイルのハッシュを取りたい場合は、FileReaderでArrayBufferにしてdigestに渡します。

Node.js(組み込みcryptoでSHA-256)

JavaScript

const crypto = require("crypto");

function sha256Hex(text) {
  return crypto.createHash("sha256").update(text, "utf8").digest("hex");
}

console.log(sha256Hex("Hello, world!"));

小さなファイルなら以下のように直接読み込めます。

JavaScript

const fs = require("fs");
const crypto = require("crypto");

const data = fs.readFileSync("example.zip");
const hash = crypto.createHash("sha256").update(data).digest("hex");
console.log(hash);

大きなファイルではストリームを使うとメモリ効率がよくなります。

ハッシュ関数の注意点と選び方

衝突リスクへの考え方

衝突は理論上避けられませんが、SHA-256などでは偶発的衝突は極めて起きにくいです。

重複検出や整合性チェックなど非敵対的な用途では、実用上問題になることはほとんどありません。

一方で、攻撃に耐える必要がある用途では、壊れた関数(MD5やSHA-1)を避け、HMACや署名と組み合わせるべきです。

用途に合う関数を選ぶ

2025年時点の一般的な目安は次の通りです。

関数名	出力長	速度の目安	安全性(2025年時点)	よくある用途
MD5	128ビット	速い	衝突攻撃が現実的で安全ではない	古いシステムの互換、重複検出の暫定(非推奨)
SHA-1	160ビット	速い	衝突攻撃が現実的で安全ではない	互換目的のみ(新規利用非推奨)
SHA-256	256ビット	中程度	一般用途で安全	整合性、署名前のハッシュ、重複検出
SHA-512	512ビット	64bit環境で速い	安全	大きなデータの整合性、署名
SHA-3	可変	中程度	安全	将来性を見据えた採用、準拠要件
BLAKE2	可変	とても速い	安全	高速な整合性、一般用途