QT隨機數詳解

一、QT隨機數簡介

QT是一個跨平台的C++開發框架，其中包含了很多有用的類、函數庫，其中包含了產生隨機數的函數。

QRandomGenerator::global()->generate();

這個函數會返回一個無符號的隨機數，並且可以設定隨機數的範圍，如下：

QRandomGenerator::global()->bounded(10); // 返回一個0~9之間的數
QRandomGenerator::global()->bounded(1, 11); // 返回一個1~10之間的數

二、隨機數發生器的初始化

在使用隨機數發生器前，需要進行初始化操作，一般使用設備存儲的熵來進行初始化，如下：

QRandomGenerator randGen(QDateTime::currentMSecsSinceEpoch() ^
                         static_cast<quint64>(reinterpret_cast<quintptr>(QThread::currentThread())));
randGen.generate();

這裡使用了系統時間和當前線程的地址進行異或操作，確保初始化的唯一性。

三、隨機數應用場景舉例

1、遊戲開發

遊戲開發中經常需要用到隨機數，如隨機生成地形、怪物屬性、物品掉落等等。

// 隨機生成怪物血量
int maxHP = 1000;
int minHP = 500;
int randHP = randGen.bounded(minHP, maxHP+1);
Monster monster(randHP);

2、密碼學

密碼學中需要用到隨機數來確保密碼的安全性，如RSA演算法中產生密鑰需要用到隨機數。

// 產生一個1024位的隨機素數
QCryptographicHash hash(QCryptographicHash::Sha3_512);
while (true) {
    qint64 num = QRandomGenerator::global()->bounded(1e16, 1e17);
    hash.addData(QByteArray::number(num));
    QByteArray bytes = hash.result().left(128);
    BIGNUM* prime = BN_bin2bn((const unsigned char*)bytes.constData(), bytes.size(), NULL);
    if (BN_is_prime(prime, BN_prime_checks, NULL, NULL, NULL, NULL)) {
        BIGNUM* zero = BN_new();
        BN_zero(zero);
        RSA* rsa = RSA_new();
        rsa->n = prime;
        BIGNUM* e = BN_new();
        BN_set_word(e, RSA_F4);
        rsa->e = e;
        rsa->d = BN_mod_inverse(NULL, e, rsa->n, NULL);
        rsa->p = zero;
        rsa->q = zero;
        rsa->dmp1 = zero;
        rsa->dmq1 = zero;
        rsa->iqmp = zero;
        break;
    }
}

3、數據加密

數據加密中經常需要用到隨機數生成初始化向量（IV），用來確保加密的安全性。

// AES加密
QByteArray key;
QByteArray iv = RandGen.generate(16);
QByteArray cipher = QCryptographicHash::hash(rawData, QCryptographicHash::Md5).toHex();
QAESEncryption crypto(QAESEncryption::AES_256, QAESEncryption::ECB);
QByteArray encrypted = crypto.encode(rawData, key, iv);

4、畫圖應用

畫圖應用中也需要用到隨機數，如隨機生成各種圖形。

// 隨機生成一些點
QPainter painter(&image);
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    int x = randGen.bounded(0, image.width());
    int y = randGen.bounded(0, image.height());
    painter.drawEllipse(x, y, 1, 1);
}

四、注意事項

使用隨機數時需要注意一些事項，如唯一性、安全性等等。

1、唯一性

在某些應用場景下，需要確保產生的隨機數唯一，如生成訂單號、用戶ID等等。

// 隨機生成一個唯一的ID
quint64 randID = QDateTime::currentMSecsSinceEpoch() ^ static_cast<quint64>(reinterpret_cast<quintptr>(QThread::currentThread()));

2、安全性

在密碼學、數據加密等領域使用隨機數時需要注意安全性問題，需要使用高質量的隨機數發生器，如硬體隨機數發生器。

// 使用硬體隨機數發生器
QByteArray data;
if (QRandomGenerator::securelySeeded()) {
    data.resize(16);
    if (RAND_bytes((unsigned char*)data.constData(), data.size()) != 1) {
        qWarning() << "RAND_bytes failed";
    }
}

3、分布

隨機數發生器產生的數不一定符合某些分布，如正態分布、均勻分布等等，需要進行轉換處理。

// 產生正態分布隨機數
double mean = 10.0;
double stddev = 2.0;
double randNum = mean + NormRand()*stddev;

五、總結

QT提供了一系列有用的隨機數發生器，可以應用到各種領域，同時需要注意隨機數的唯一性、安全性和分布問題。