arc4random詳解

一、arc4random的概述

arc4random是一個用於生成偽隨機數的C函數。偽隨機數是指通過算法生成的數值序列，看起來像是隨機分布的。arc4random函數會生成高強度的隨機數，廣泛用於加密算法、安全認證等領域。

arc4random函數定義如下：

u_int32_t arc4random(void);

該函數會返回一個32位的無符號整數。每次調用該函數會生成一個新的偽隨機數。

二、arc4random的使用方法

在使用arc4random函數前，需要在代碼中引入#include <stdlib.h>頭文件。

下面是一個簡單的示例代碼：

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

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

該示例代碼會生成10個偽隨機數，並將它們輸出到屏幕上。

提示：arc4random函數返回一個32位的無符號整數，需要按照格式化輸出符%u進行輸出。如果使用錯誤的格式化輸出符，可能會導致輸出信息不正確。

三、arc4random的種子

種子是生成偽隨機數的一個重要參數。同樣的種子會生成同樣的偽隨機數序列。在arc4random中，種子由void arc4random_addrandom(unsigned char *dat, int datlen);函數進行設置。

該函數的第一個參數為一個無符號字符指針，指向數據。第二個參數為要使用的數據長度。使用不同的數據長度來設置種子可以產生不同的偽隨機數序列。

下面是一個示例代碼：

#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;
}

該代碼中，首先使用數組data來設置arc4random的種子，然後使用srand函數設置rand函數的種子。接下來，分別調用arc4random和rand來生成隨機數。

這裡需要注意的是，arc4random_addrandom函數的參數是一個無符號字符指針，而data是一個整型數組。因此需要進行類型轉換。至於為什麼傳入的是數組數據，這是因為arc4random_addrandom函數會將傳入的種子數據與一個內置的算法結合進行生成新的種子。

四、arc4random的安全性

由於arc4random函數能夠生成高強度的隨機數，因此被廣泛用於加密算法、安全認證等領域。但是，如果不正確地使用arc4random函數，可能會導致安全漏洞。

下面是一個存在安全漏洞的示例代碼：

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

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

該示例代碼的意圖是生成10個0~99之間的整數。但是，在計算arc4random函數的返回值之前，對其進行了取模運算。這樣做是非常危險的，因為arc4random函數返回的數值是一個32位的無符號整數，直接對它進行取模運算可能會導致運算結果與期望的0~99之間的整數非常接近。如果攻擊者能夠預測這些接近的數值範圍，就有可能對系統進行攻擊。

因此，在使用arc4random函數時，一定要注意避免對其返回值進行數值運算，尤其是取模運算。

五、arc4random和其他隨機數生成函數的比較

在C語言中，還有其他的隨機數生成函數，如rand和random等。這些函數生成的隨機數相對於arc4random來說，安全性較差，而且生成的隨機數分布也不是很均勻。

下面是一個比較代碼示例：

#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;
}

該代碼會分別使用rand和arc4random函數生成10萬個0~9之間的整數，並統計它們出現的次數。

運行結果會發現，使用rand函數生成的隨機數分布不是特別均勻，而且會出現一些較為明顯的規律。而使用arc4random函數生成的隨機數分布要比rand函數更加均勻。

六、總結

arc4random是一個用於生成高強度偽隨機數的C函數。使用arc4random函數需要注意以下幾點：

• 正確使用格式化輸出符%u來輸出arc4random函數的返回值。
• 在使用arc4random函數前，需要設置種子。種子會影響生成的偽隨機數序列。
• 避免對arc4random函數返回值進行數值運算，尤其是取模運算。
• 相對於其他隨機數生成函數，arc4random生成的隨機數更加均勻，且安全性更高。