arc4random詳解

一、arc4random的概述

arc4random是一個用於生成偽隨機數的C函數。偽隨機數是指通過演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，廣泛用於加密演算法、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元指針，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元指針，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演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演算法、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。