java random 随机性和安全性小议

Posted 2021-10-27 大树叶

在Java 代码中，生成随机数可以用 Random、SecurityRandom、ThreadLocalRandom和Math.random()。

1. Random类
   它也是java.util.Random 工具类。
   基本算法：linear congruential pseudorandom number generator (LGC) 线性同余法伪随机数生成器缺点：可预测。在注重信息安全的应用中，不要使用 LCG 算法生成随机数，请使用 SecureRandom。
   Random类默认使用当前系统时钟作为种子。

2. Math.random() 静态方法
   当第一次调用 Math.random() 方法时，自动创建了一个伪随机数生成器，实际上用的是 new java.util.Random()。当接下来继续调用 Math.random() 方法时，就会使用这个新的伪随机数生成器。
   源码如下：

public static double random()  {    
Random rnd = randomNumberGenerator;   
 if (rnd == null) rnd = initRNG(); // 第一次调用，创建一个伪随机数生成器    return rnd.nextDouble();
 }
 
 private static synchronized Random initRNG()  {  
   Random rnd = randomNumberGenerator;    
   return (rnd == null) ? (randomNumberGenerator = new Random()) : rnd; 
   // 实际上用的是new java.util.Random()
   }

2. Random() 是线程安全的，内部的Seed 是全局变量，多线程生成随机数时，使用了 cas. Random类默认使用当前系统时钟作为种子。只要种子一样，产生的随机数也一样： 因为种子确定，随机数算法也确定，因此输出是确定的！

3.ThreadLocalRandom
ThreadLocalRandom 是 Java7 新增的，给多线程并发使用的 ， 速度比Random 要快。 ThreadLocalRandom 是通过 ThreadLocal 改进的用于随机生成的工具类，每个线程单独持有一个，不存在竞争问题。

ThreadLocalRandom threadLocalRandom = ThreadLocalRandom.current();
for(int i=0;i<10;i++){
    System.out.println(threadLocalRandom.nextInt(10));
}

构造方法是 private ，只能是单例模式，不能够设置 seed

4.SecurityRandom
SeurityRandom 内置两种随机数算法，NativePrRNG 和 SHA1PRNG 。通过 new 来创建，默认使用 NavivePRNG 算法生成随机数，也可以通过参数修改。也可以通过 getInstance 来初始化对象，有一个参数传递算法名就可以，第二个参数指定算法程序包 。SHA1PRNG 的性能比 NATIVEPRNG 性能好一倍。可以使用 new创建 ，也可以是静态方法getInstance() 获取，可以设置 seed ，如果seed 固定，那么随机的结果也将不变。

1. 如果仅指定算法名称
   如下所示：

SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");

2. 如果既指定了算法名称又指定了包提供程序
   如下所示：

SecureRandom random = ecureRandom.getInstance("SHA1PRNG", "SUN");

总结：
1）随机性
使用随机数，对安全要求不高的情况,使用Random,
要求较高使用 SecurityRandom。

2. 线程安全性
   Random 是线程安全的，用CAS 保持，但是性能不高。
   SecureRandom 也是线程安全的，但是性能不高。
   多线程情况下尽量使用 ThreadLocalRandom。

2）关于随机性的讨论
Instances of java.util.Random are not cryptographically secure. Consider instead using SecureRandom to get a cryptographically secure pseudo-random number generator for use by security-sensitive applications.SecureRandom takes Random Data from your os (they can be interval between keystrokes etc - most os collect these data store them in files - /dev/random and /dev/urandom in case of linux/solaris) and uses that as the seed.
操作系统收集了一些随机事件，比如鼠标点击，键盘点击等等，SecureRandom 使用这些随机事件作为种子。

4. Math.random()是令系统随机选取大于等于 0.0 且小于 1.0 的伪随机 double 值，是Java语言常用代码。例如：Number=Math.random()3+1，设置一个随机1到4的变量；
   Random 类有含参数和不含参数的构造；其中不含参的构造方法每次都是使用当前系统时间作为种子，而含参构造是使用一个固定值（参数）作为种子（种子也就是Random生成随机数时使用的参数）。每次使用时先创建一个Random对象，也叫随机数生成器，然后调用Random.next*()方法获取数值。
   java.util.Random类中
   ①随机数是种子经过计算生成的。
   ②Random类中不含参的构造函数每次都是使用当前时间作为种子，随机性更强；而含参数的构造函数是以参数为种子产生的伪随机数，更有可预见性。
   ③具有相同种子值的Random对象生成的随机数相同；种子值不同，产生的随机数不再一致。

Math.random()方法中内部调用的方法就是Random类中的nextDouble()方法。
5. 使用 java.security.egd 选项来执行 java程序。

通过测试可以发现，hotspot需要使用配置项"-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom"才能从urandom读取数据，这里openjdk做了优化，直接从urandom读取数据。SecureRandom在java各种组件中使用广泛，可以可靠的产生随机数。但在大量产生随机数的场景下，性能会较低。这时可以使用
“-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom”
加快随机数产生过程。例如，可以用下面的例子来启动jar

java ${JAVA_OPTS} -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom -jar /data/server/app.jar