伪随机数：

产生真正的随机数需要硬件支持和一些计算。

伪随机算法，可以在无硬件支持下产生貌似是随机的数，一般会有周期性，好处是计算的很快，代价小。坏处是如果在密码学上应用，可能会被攻击进而密码被破解。

C语言中伪随机数，随机种子是根据系统时间确定的，同一个随机种子，产生的随机数的顺序是相同的，这也说明伪随机并不是真正的随机

在程序设计中，有时会用到随机数。本文介绍在 Linux 编程环境下，如何生成伪随机数。



什么是伪随机数

伪随机数是通过一个确定性的算法计算出来的“似乎”是随机的数序，因此伪随机数实际上并不随机。在计算伪随机数时，假如初始值不变的话，那么伪随机数的数序也不变。



伪随机数的优点

要产生真正的随机数，必须使用专门的设备，比如热噪信号、量子力学效应、放射性元素的衰退辐射，或使用无法预测的现象等。而伪随机数计算比较简单，不需要外部特殊硬件的支持，因此在计算机科学中伪随机数依然被使用。



伪随机数的缺点

由于伪随机数不是真的随机数，在有些方面它们不能被使用。例如在密码学中使用伪随机数要小心，因为其可计算性是一个可以攻击的地方。统计学、蒙特·卡罗方法上使用的伪随机数也必须挑选周期极长、随机性够高的随机函数，以确保计算结果有足够的随机性。 



利用 rand() 函数生成伪随机数

函数原型：

//需要包含头文件 <stdlib.h>  
int rand(void);

Linux 中的rand()函数会返回一随机数值，其范围在0至RAND_MAX 间。这里的RAND_MAX定义在stdlib.h中（如下图的128行所示），值为 2147483647（=2^31-1）。 



以下例子利用 rand() 函数生成伪随机数。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#define RAND_NUM    5

int main(int argc, char *argv[])
{
    for(int i=0; i< RAND_NUM; ++i)
        printf( "%d ", rand() );

    printf("\n");
    return 0;
}

编译后连续运行两次，结果是：



$ ./rand
1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 
$ ./rand
1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793

为什么会这样呢？

计算机产生的伪随机数是通过递推的方法得来的，必须要有一个初始值，也就是通常所说的种子。如果不对种子进行初始化，那么计算机会使用一个默认值。由于两次运行中初始值一样（都是默认值），递推公式也一样，所以才有完全一样的伪随机序列。

对于rand()函数，如果未设随机数种子，rand()在被调用时会自动设随机数种子为1。 

要想避免这种结果，就需要在每次程序运行时对种子进行初始化 ，且初始值不一样（比如到目前为止经过的时间 ）。



获取当前时间（以秒计算）

函数原型：



// 需要包含头文件 <time.h>   
time_t time (time_t* timer);

time_t其实是一个长整形。

time_t time (time_t* timer)函数的用法是：

当参数为NULL的时候，返回从1970年1月1日0时0分0秒到此时的秒数；当参数不为NULL的时候，不仅返回从1970年1月1日0时0分0秒到此时的秒数，还把返回值存储到参数指向的time_t类型的变量里。



设置种子

函数原型：



// 需要包含头文件 <stdlib.h> 
void srand (unsigned int seed);

srand函数把种子值作为参数。结合函数time_t time (time_t* timer)，我们可以这样设置种子：



srand( (unsigned int)time(NULL) );



参考代码



#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

#define RAND_NUM    5

int main(int argc, char *argv[])
{
    srand( (unsigned int)time(NULL) );

    for(int i=0; i< RAND_NUM; ++i)
        printf( "%d ", rand()%100 );

    printf("\n");
    return 0;
}

实验结果如下：



$ ./rand
61 71 64 35 13 
$ ./rand
50 11 83 43 69 
$ ./rand
68 32 35 94 83 

【完】

参考资料

http://txgcwm.github.io/blog/2013/07/07/linuxxia-cyu-yan-wei-sui-ji-shu-bian-cheng/

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%AA%E9%9A%8F%E6%9C%BA%E6%80%A7

https://blog.csdn.net/duyiwuer2009/article/details/49497199

http://www.cplusplus.com/reference/cstdlib/srand/?kw=srand

http://blog.jobbole.com/108049/

       
真随机数 
        自然界中的有很多不确定的物理现象，通过测量这些现象，就可以获得真随机数。比如白噪声的幅值、电子元器件的电压噪声等，真随机数可以通过用硬件对这些参数进行采集获得。
       
       
伪随机数 
        伪随机数序列是用确定性的算法计算出来的周期很长的序列。程序的运行过程是一个确定的过程，每一条指令都是确定的，因此不能产生真的随机数。

        说到伪随机数就会说到种子，什么是种子呢，我们可以将种子理解为一个初始值，特定算法根据这个初始值产生一个一定的序列，生成的这个序列“看起来”是随机的，实际上是一个周期很长的确定序列。如果每次的种子设置得相同，那么产生的序列都是相同的。

        举个例子，我们可以简单的设置这个种子为某个数，比如1。请看如下代码，用srand()设置种子的值，用rand()产生伪随机数序列，需要包含头文件#include <stdlib.h>。重复运行下列代码，因为种子相同，所以每次输出的序列都是如图的序列"41 18467 6334 26500 …"。
srand(1);   // 设置种子的值为1，如果不设置，默认种子为1
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    cout << rand() << " ";	// 输出10个伪随机数
}


       
       
        如果每次种子设置得不同，那生成的序列也将不同。  如何获得不同的种子呢？

       可以用C语言中的库函数 time_t time(time_t *seconds) 返回自1970-01-01 00:00:00 UTC 起经过的时间，以秒为单位。这个函数的入参seconds也能保存结果，请看如下代码，输出的t和seconds的值是一样的。
    time_t seconds;
    time_t t=time(&seconds);
    cout << t <<" "<< seconds <<endl;  // t和seconds的值是一样的

       那么，我们将当前的时间设置为种子，由于时间一直在变，种子就一直在变，每次就能生成不同的伪随机数序列。
time_t t=time(nullptr);
srand(t);   // 设置种子的值为时间
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    cout << rand() << " ";
}

       
       
 C++代码示例 
题目：将1-100的有序序列变成无序序列，要求每次运行的结果不同。
// 题目：将1-100的有序序列变成无序序列，要求每次运行的结果不同。

void fun(vector<int> &vec) {
    time_t t = time(nullptr);
    srand(t);   // 设置种子的值为时间
    rand();
    for (int i = 0; i < 500; ++i) {
        // 每次随机交换数组中的两位
        swap(vec[rand() % 100], vec[rand() % 100]);
    }  
}

int main() {
    vector<int> vec(100);
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        vec[i] = i+1;
    }
    fun(vec);
    for (auto it : vec) {
        cout << it << " ";
    }
    cout << endl;
    system("pause");
}

       

一 点睛

和密码相比，伪随机数生成器实在是很少被人们所注意，因此我们很容易忘记伪随机数生成器也可以受到攻击的。然而，由于伪随机数生成器承担了生成密钥的重担，因此它经常成为攻击者的对象。

二 对种子进行攻击

伪随机数的种子和密码的密钥同等重要。如果攻击者知道了伪随机数的种子，那么他就能够知道这个伪随机数所生成的全部伪随机数列。因此，伪随机数的种子是不可以被攻击者知道。

要避免种子被攻击者知道，我们需要使用不可重现的真随机数作为种子。

三 对随机数池进行攻击

当然，我们一般不会到了需要的时候才当场生成真随机数，而是会事先在一个名为随机数池的文件中记录随机比特序列。当密码软件需要伪随机数种子时，可以从这个随机池中取出所需长度的随机比特序列来使用。

随机数池的内容不可以被攻击者知道，否则伪随机数的种子就有可能被预测出来。

随机数池本身并不存储任何有意义的信息。我们需要保护没有任何意义的比特序列，这一点违背常识，但其实却是非常重要的。