java随机函数详解

本文主要介绍java里的一些随机函数实现与用法，也会附带介绍一些随机数知识。
目前计算机实现的随机函数过程中，都是伪随机的，不过，可以实现统计学意义上的随机。比如手机鼠标移动位置，点击，系统的参数等等作为种子，这种随机统计上看起来就是“真随机数”了，具有较高的安全性。当然对于多线程，仍然需要做一些讨论。

关键字：随机数，java，伪随机数，种子, SecureRandom

1、分类

随机数被准确地分成了三类：真随机数、准随机数、伪随机数。那么这三种的区别是什么呢？书上的定义：

1）真随机数 ：产生的数不可预计，也不可能重复产生两个相同的真随机数序列。真随机数只能通过某些随机的物理过程来产生，如放射性衰变、电子设备的热噪声等。java里将一些不可测的因素引入，收集计算机的各种信息，如键盘输入时间，CPU时钟，内存使用状态，硬盘空闲空间，IO延时，进程数量，线程数量等信息，来得到一个近似随机的种子。我们暂且将这种随机数称为真随机。比如linux里的/dev/random（会产生阻塞）与/dev/urandom（不会产生阻塞）

2）准随机数：其随机数序列不具备随机性质，仅仅是用它来处理问题能够得到正确的结果。分布相对于伪随机数更为均匀。（参考本文底部 [2],[3]）

3）伪随机数：通过某种数学公式或者算法产生的数值序列。虽然在数学意义上伪随机数是不随机的，但是如果能够通过统计检验，可以当成真随机数使用。

本文讨论的都是伪随机数和真随机数。伪随机数生成器被称为PRNG（Pseudo-random number generator， PRNG）

2、java里的随机实现主要有三个类

Random : 伪随机的方式提供随机
SecureRandom ：真随机
ThreadLocalRandom ：线程安全的伪随机

3、Random有两种方式来制作伪随机。

一种是通过种子的方式。

如传一个参数123

    /**
     * 测试伪随机数种子发生器
     *
     */
    @Test
    public void testRandomNumber() {
        //以随机数 123 为例，他每次产生的随机数都是固定的 -5106534569952410475L
        Random random = new Random(123);
        long l = random.nextLong();
        assertEquals(-5106534569952410475L, l);
    }

4、Random VS SerureRandom

Random类是Java最基本的提供随机的方式。其中ThreadLocalRandom是jdk7才出现的，是Random的增强版，功能上与Random类似。主要区别是：在并发访问的环境下，使用ThreadLocalRandom来代替Random可以减少多线程竞争，最终保证系统具有更好的线程安全。在不考虑并发的场景下，与Random功能相同。

    /**
     * 测试安全随机
     *
     */
    @Test
    public void testSecureRandomNumber() {
        // 每次产生的随机数都是不固定的
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        long number = random.nextLong();
        System.out.println("number = " + number);
    }

5、重点介绍SecureRandom

他继承Random，但是比Random更为安全

        SecureRandom r = new SecureRandom();
        System.out.println("r = " + r.nextInt());

通过输出，很容易看到，每次的结果都不一样。
查看构造方法，发现调用了getDefaultPRNG（）这个方法，继续查看这个方法。发现现实调用getPrngAlgorithm();这个方法得个算法名称。

image.png

以上是jdk的实现，我们写个单元测试看看输出是什么：

    @Test
    public void testPrivode() {
        for (Provider p : Providers.getProviderList().providers()) {
            for (Provider.Service s : p.getServices()) {
                if (s.getType().equals("SecureRandom")) {
                    System.out.println("s.getProvider() = " + s.getProvider());
                    System.out.println("s.getType() = " + s.getType());
                    System.out.println("algorithm :" + s.getAlgorithm());
                }
            }
        }
    }

输出：

s.getProvider() = SUN version 1.8
s.getType() = SecureRandom
algorithm :SHA1PRNG
s.getProvider() = SunMSCAPI version 1.8
s.getType() = SecureRandom
algorithm :Windows-PRNG

我们看出这里有两个输出，实际上程序运行时会选择第一个（还不清楚为什么是第一个），也就是SHA1PRNG。（不太清楚这个算法的具体逻辑？以及和线性同余的PRNG的算法有何区别？）

如果第一步getDefaultPRNG获取失败，然后调用SecureRandom.getInstance("算法名称");

java提供的随机函数，通过如下方式获取。

Security.getProviders()


    /**
     * 遍历提供商提供的算法
     */
    @Test
    public void test() {
        Provider[] providers = Security.getProviders();
        for (Provider it : providers) {
            System.out.println("provider name: " + it.getName());
            for (Provider.Service s : it.getServices()) {
                System.out.println("type :" + s.getType() + "，algorithm ：" + s.getAlgorithm());
            }
        }
    }


    /**
     * 遍历提供商
     */
    @Test
    public void testProviders() {
        Provider[] providers = Security.getProviders();
        for (Provider it : providers) {
            System.out.println("provider name: " + it.getName());

        }
    }

输出

provider name: SUN
provider name: SunRsaSign

provider name: SunEC
provider name: SunJSSE
provider name: SunJCE
provider name: SunJGSS
provider name: SunSASL
provider name: XMLDSig
provider name: SunPCSC
provider name: SunMSCAPI

本文参考文章，感谢下列文章作者的付出：
[1] 伪随机数算法(一)
[2] 伪随机数与准随机数的比较
[3] 随机数与伪随机数
[4] 利用系统时间可预测破解java随机数
[5] 当随机不够随机：一个在线扑克游戏的教训
[6] Java 8 SecureRandom 生成随机数