arc4random详解

一、arc4random的概述

arc4random是一个用于生成伪随机数的C函数。伪随机数是指通过算法生成的数值序列，看起来像是随机分布的。arc4random函数会生成高强度的随机数，广泛用于加密算法、安全认证等领域。

arc4random函数定义如下：

u_int32_t arc4random(void);

该函数会返回一个32位的无符号整数。每次调用该函数会生成一个新的伪随机数。

二、arc4random的使用方法

在使用arc4random函数前，需要在代码中引入#include <stdlib.h>头文件。

下面是一个简单的示例代码：

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

int main() {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%u\n", arc4random());
    }
    return 0;
}

该示例代码会生成10个伪随机数，并将它们输出到屏幕上。

提示：arc4random函数返回一个32位的无符号整数，需要按照格式化输出符%u进行输出。如果使用错误的格式化输出符，可能会导致输出信息不正确。

三、arc4random的种子

种子是生成伪随机数的一个重要参数。同样的种子会生成同样的伪随机数序列。在arc4random中，种子由void arc4random_addrandom(unsigned char *dat, int datlen);函数进行设置。

该函数的第一个参数为一个无符号字符指针，指向数据。第二个参数为要使用的数据长度。使用不同的数据长度来设置种子可以产生不同的伪随机数序列。

下面是一个示例代码：

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

int main() {
    int data[10];
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        data[i] = i;
    }
    arc4random_addrandom((unsigned char *)data, sizeof(data));

    srand(time(NULL));
    printf("arc4random: %u\n", arc4random());
    printf("srand: %d\n", rand());
    return 0;
}

该代码中，首先使用数组data来设置arc4random的种子，然后使用srand函数设置rand函数的种子。接下来，分别调用arc4random和rand来生成随机数。

这里需要注意的是，arc4random_addrandom函数的参数是一个无符号字符指针，而data是一个整型数组。因此需要进行类型转换。至于为什么传入的是数组数据，这是因为arc4random_addrandom函数会将传入的种子数据与一个内置的算法结合进行生成新的种子。

四、arc4random的安全性

由于arc4random函数能够生成高强度的随机数，因此被广泛用于加密算法、安全认证等领域。但是，如果不正确地使用arc4random函数，可能会导致安全漏洞。

下面是一个存在安全漏洞的示例代码：

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

int main() {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", arc4random() % 100);
    }
    return 0;
}

该示例代码的意图是生成10个0~99之间的整数。但是，在计算arc4random函数的返回值之前，对其进行了取模运算。这样做是非常危险的，因为arc4random函数返回的数值是一个32位的无符号整数，直接对它进行取模运算可能会导致运算结果与期望的0~99之间的整数非常接近。如果攻击者能够预测这些接近的数值范围，就有可能对系统进行攻击。

因此，在使用arc4random函数时，一定要注意避免对其返回值进行数值运算，尤其是取模运算。

五、arc4random和其他随机数生成函数的比较

在C语言中，还有其他的随机数生成函数，如rand和random等。这些函数生成的随机数相对于arc4random来说，安全性较差，而且生成的随机数分布也不是很均匀。

下面是一个比较代码示例：

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

int main() {
    int i, cnt1[10] = {0}, cnt2[10] = {0};

    srand(time(NULL));
    for (i = 0; i < 100000; i++) {
        int r1 = rand() % 10;
        cnt1[r1]++;
        int r2 = arc4random() % 10;
        cnt2[r2]++;
    }

    printf("rand:\n");
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d: %d\n", i, cnt1[i]);
    }
    printf("arc4random:\n");
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d: %d\n", i, cnt2[i]);
    }

    return 0;
}

该代码会分别使用rand和arc4random函数生成10万个0~9之间的整数，并统计它们出现的次数。

运行结果会发现，使用rand函数生成的随机数分布不是特别均匀，而且会出现一些较为明显的规律。而使用arc4random函数生成的随机数分布要比rand函数更加均匀。

六、总结

arc4random是一个用于生成高强度伪随机数的C函数。使用arc4random函数需要注意以下几点：

正确使用格式化输出符%u来输出arc4random函数的返回值。
在使用arc4random函数前，需要设置种子。种子会影响生成的伪随机数序列。
避免对arc4random函数返回值进行数值运算，尤其是取模运算。
相对于其他随机数生成函数，arc4random生成的随机数更加均匀，且安全性更高。

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