Java安全随机数之SecureRandom与Random对比

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安全测试中，项目中遇到随机数问题，如果安全性要求较高，一般使用SecureRandom类产生随机数。

一、Math.random() 静态方法

产生的随机数是 0 – 1 之间的一个 double，即 0 <= random <= 1。

1、使用

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for (int i = 0; i < 10; i++) {
    System.out.println(Math.random());
}

结果：

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0.3598613895606426
0.2666778145365811
0.25090731064243355
0.011064998061666276
0.600686228175639
0.9084006027629496
0.12700524654847833
0.6084605849069343
0.7290804782514261
0.9923831908303121

2、实现原理

When this method is first called, it creates a single new pseudorandom-number generator, exactly as if by the expression new java.util.Random()
This new pseudorandom-number generator is used thereafter for all calls to this method and is used nowhere else.

  • 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。

3、源码

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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()
}

This method is properly synchronized to allow correct use by more than one thread. However, if many threads need to generate pseudorandom numbers at a great rate, it may reduce contention for each thread to have its own pseudorandom-number generator.

initRNG() 方法是synchronized的，因此在多线程情况下，只有一个线程会负责创建伪随机数生成器（使用当前时间作为种子），其他线程则利用该伪随机数生成器产生随机数。因此 Math.random() 方法是线程安全的。

4、什么情况下随机数的生成线程不安全

  • 线程1在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator1，使用当前时间作为种子。
  • 线程2在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator2，使用当前时间作为种子。
  • 碰巧 generator1 和 generator2 使用相同的种子，导致 generator1 以后产生的随机数每次都和 generator2 以后产生的随机数相同。

5、什么情况下随机数的生成线程安全： Math.random() 静态方法使用

  • 线程1在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator1，使用当前时间作为种子。
  • 线程2在第一次调用 random() 时发现已经有一个生成器 generator1，则直接使用生成器 generator1。
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public class JavaRandom {
    public static void main(String args[]) {
        new MyThread().start();
        new MyThread().start();
    }
}
 
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + Math.random());
        }
    }
}

结果：

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Thread-1: 0.8043581595645333
Thread-0: 0.9338269554390357
Thread-1: 0.5571569413128877
Thread-0: 0.37484586843392464

二、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

1、缺点：可预测

An attacker will simply compute the seed from the output values observed. This takes time than 2^48 in the case of java.util.Random.
从输出中可以很容易计算出种子值。
It is shown that you can predict future Random outputs observing only two(!) output values in time roughly 2^16.
因此可以预测出下一个输出的随机数。
You should never use an LCG for security-critical purposes.
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。

2、使用

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Random random = new Random();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println(random.nextInt());
}

结果：

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-24520987
-96094681
-952622427
300260419
1489256498

3、Random类默认使用当前系统时钟作为种子

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public Random() {
    this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}
 
public Random(long seed) {
    if (getClass() == Random.class)
        this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
    else {
        // subclass might have overriden setSeed
        this.seed = new AtomicLong();
        setSeed(seed);
    }
}

4、Random类提供的方法

  • nextBoolean() – 返回均匀分布的 true 或者 false
  • nextBytes(byte[] bytes)
  • nextDouble() – 返回 0.0 到 1.0 之间的均匀分布的 double
  • nextFloat() – 返回 0.0 到 1.0 之间的均匀分布的 float
  • nextGaussian()- 返回 0.0 到 1.0 之间的高斯分布（即正态分布）的 double
  • nextInt() – 返回均匀分布的 int
  • nextInt(int n) – 返回 0 到 n 之间的均匀分布的 int （包括 0，不包括 n）
  • nextLong() – 返回均匀分布的 long
  • setSeed(long seed) – 设置种子

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！

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Random random1 = new Random(10000);
Random random2 = new Random(10000);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println(random1.nextInt() + " = " + random2.nextInt());
}

结果：

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-498702880 = -498702880
-858606152 = -858606152
1942818232 = 1942818232
-1044940345 = -1044940345
1588429001 = 1588429001

三、java.util.concurrent.ThreadLocalRandom 工具类

ThreadLocalRandom 是 JDK 7 之后提供，也是继承至 java.util.Random。

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private static final ThreadLocal localRandom = new ThreadLocal() {
    protected ThreadLocalRandom initialValue() {
        return new ThreadLocalRandom();
    }
};

每一个线程有一个独立的随机数生成器，用于并发产生随机数，能够解决多个线程发生的竞争争夺。效率更高！ThreadLocalRandom 不是直接用 new 实例化，而是第一次使用其静态方法 current() 得到 ThreadLocal 实例，然后调用 java.util.Random 类提供的方法获得各种随机数。

1、使用

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public class JavaRandom {
    public static void main(String args[]) {
        new MyThread().start();
        new MyThread().start();
    }
}
 
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + ThreadLocalRandom.current().nextDouble());
        }
    }
}

结果：

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Thread-0: 0.13267085355389086
Thread-1: 0.1138484950410098
Thread-0: 0.17187774671469858
Thread-1: 0.9305225910262372

四、java.Security.SecureRandom

也是继承至 java.util.Random。

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。

  • SecureRandom 提供加密的强随机数生成器 (RNG)，要求种子必须是不可预知的，产生非确定性输出。
  • SecureRandom 也提供了与实现无关的算法，因此，调用方（应用程序代码）会请求特定的 RNG 算法并将它传回到该算法的SecureRandom 对象中。

1、如果仅指定算法名称

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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

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

3、使用

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SecureRandom random1 = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
SecureRandom random2 = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println(random1.nextInt() + " != " + random2.nextInt());
}

结果：

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704046703 != 2117229935
60819811 != 107252259
425075610 != -295395347
682299589 != -1637998900
-1147654329 != 1418666937

五、随机字符串

可以使用 Apache Commons-Lang 包中的 RandomStringUtils 类。

1、Maven依赖

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<dependency>
    <groupId>commons-lang</groupId>
    <artifactId>commons-lang</artifactId>
    <version>2.6</version>
</dependency>

2、示例

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public class RandomStringDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // Creates a 64 chars length random string of number.
        String result = RandomStringUtils.random(64, false, true);
        System.out.println("random = " + result);
        // Creates a 64 chars length of random alphabetic string.
        result = RandomStringUtils.randomAlphabetic(64);
        System.out.println("random = " + result);
        // Creates a 32 chars length of random ascii string.
        result = RandomStringUtils.randomAscii(32);
        System.out.println("random = " + result);
        // Creates a 32 chars length of string from the defined array of
        // characters including numeric and alphabetic characters.
        result = RandomStringUtils.random(32, 0, 20, true, true, "qw32rfHIJk9iQ8Ud7h0X".toCharArray());
        System.out.println("random = " + result);
    }
}

3、RandomStringUtils 类的定义

RandomStringUtils 类的实现上也是依赖了 java.util.Random 工具类：

Java安全随机数之SecureRandom与Random对比插图
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