【C/C++】编写自己的真随机函数【纳秒级】【已修正】

本文讨论了在Linux系统中,使用`srand`和`time(NULL)`生成随机数种子时可能会遇到的问题,即在快速执行的循环中产生重复随机数。提出了一种以纳秒为单位的自定义随机种子设置方法,确保在不同系统间的移植性和更好的随机性。同时,文章提醒读者,这样的伪随机数并不适合用于加密算法的密钥生成,并给出了真随机数的获取途径。

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前言

通常想要使用随机数的时候,在网络上搜索,他们只会告诉你用srand播种。
而且是以秒为单位,这就有了个巨大的问题,而且这个问题在Windows系统中不算常见但是在Linux中的必出的问题。

通常网上的教程会教你这么写随机种子

srand((unsigned)time(NULL));

这样写没什么问题,但是如果你想执行一个非常快的语句,比如for循环,就会出现问题。
比如下面这段代码

int arr[4096];
for(int x = 0; x < 4096; ++x) {
     arr[x] = rand();
}

此段代码在Windows中表示的可能不是特别明显,但在Linux中你就会发现输出的几乎都是同一个值。
为什么呢?因为它以秒为单位,而for循环执行的速度是非常快的。

代码

我们自己编写一个随机数种子播种函数,然后在需要使用随机数时调用一次它。
这个随机数种子是以纳秒为单位的,就完美避免了以秒为单位出现的更新不及时的情况。

#include <sys/timeb.h>
#include <time.h>
static void setRandomSeed()
{
    clockid_t a = 0;
    struct timespec p = {0, 0};
    clock_gettime(a, &p);
    srand((unsigned)p.tv_nsec);
}

此代码专门针对不同系统进行过改动,比如你可以将这段代码原封不动的从Windows移植到Linux中,执行不会出现任何问题。

2023-05-26 补充

通过这种方法获得的随机数都是伪随机数,不可能是真随机数。

如果你是使用srand函数做种子来生成用于加密算法密钥的随机数的话,那么我是非常非常非常不建议的,因为srand函数的范围只有0 ~ 232-1的范围,所以攻击者可以通过穷举等手段来获得所有可能的伪随机数从而得到可能的加密算法的密钥。

如果你是想生成真随机数,那么可以利用各种电子设备噪声,放射性衰变,周围环境音,一张图片或视频来得到真正的随机数。
或者使用对应的密码学安全随机数,这种库已经有非常多,此处不展开说明。

### 实现毫秒、微秒或纳秒级别系统时间差计算 在C/C++中,可以利用标准库中的`<chrono>`头文件以及POSIX定义的结构体来实现毫秒、微秒甚至纳秒级别的系统时间差计算。以下是几种常见的方法及其具体实现。 #### 使用 `<chrono>` 头文件 现代C++提供了强大的时间处理工具——`std::chrono`,它支持多种分辨率的时间测量。通过该库,能够轻松获取并比较不同粒度的时间戳。 ```cpp #include <iostream> #include <chrono> int main() { auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now(); // 开始计时 // 模拟耗时操作 volatile int i = 0; while (i++ < 1e8); auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now(); // 结束计时 // 计算时间差 std::chrono::duration<double, std::milli> duration_ms = end - start; // 毫秒 std::chrono::duration<double, std::micro> duration_us = end - start; // 微秒 std::chrono::duration<double, std::nano> duration_ns = end - start; // 纳秒 std::cout << "Duration in milliseconds: " << duration_ms.count() << " ms\n"; std::cout << "Duration in microseconds: " << duration_us.count() << " us\n"; std::cout << "Duration in nanoseconds: " << duration_ns.count() << " ns\n"; return 0; } ``` 这种方法基于高精度时钟[^1],适用于跨平台开发场景,并能提供较高的时间分辨率。 --- #### 使用 `gettimeofday()` 函数(Linux/Unix) 在POSIX兼容的操作系统上,可以通过调用`gettimeofday()`函数获取当前时间和日期信息。此函数返回的是自UNIX纪元以来经过的秒数和微秒数。 ```cpp #include <sys/time.h> #include <stdio.h> void getTimeDifference(struct timeval& startTime, struct timeval& endTime) { double elapsedTimeUs = (endTime.tv_sec - startTime.tv_sec) * 1e6 + (endTime.tv_usec - startTime.tv_usec); printf("Elapsed Time: %.6f μs\n", elapsedTimeUs); // 输出微秒级时间差 } int main() { struct timeval tStart, tEnd; gettimeofday(&tStart, NULL); // 获取起始时间 // 模拟耗时操作 volatile int i = 0; while (i++ < 1e7); gettimeofday(&tEnd, NULL); // 获取结束时间 getTimeDifference(tStart, tEnd); // 打印时间差 return 0; } ``` 这里需要注意,在某些情况下,`tv_usec`字段可能会溢出,因此需要特别小心处理边界条件[^2]。 --- #### Windows 平台下的 `QueryPerformanceCounter` Windows API 提供了一个高性能计数器接口——`QueryPerformanceCounter`,它可以用来精确地记录短时间段内的流逝时间。 ```cpp #include <windows.h> #include <iostream> double getFrequency() { LARGE_INTEGER freq; QueryPerformanceFrequency(&freq); return static_cast<double>(freq.QuadPart); } double calculateElapsedTime(LARGE_INTEGER start, LARGE_INTEGER end, double frequency) { return ((end.QuadPart - start.QuadPart) / frequency) * 1e9; // 转换为纳秒 } int main() { LARGE_INTEGER startCount, endCount; double frequency = getFrequency(); QueryPerformanceCounter(&startCount); // 开始计时 // 模拟耗时操作 volatile int i = 0; while (i++ < 1e7); QueryPerformanceCounter(&endCount); // 停止计时 double elapsedNs = calculateElapsedTime(startCount, endCount, frequency); std::cout << "Elapsed Time: " << elapsedNs << " ns\n"; // 显示纳秒级时间差 return 0; } ``` 这段代码展示了如何使用硬件性能计数器来达到更高的精度[^4]。 --- #### 利用 CPU TSC 寄存器读取周期数 如果目标机器支持RDTSC指令,则可以直接访问处理器内部的TSC寄存器以获得非常高的频率计数。不过这种方式依赖于特定架构且不具备可移植性。 ```cpp unsigned __int64 GetCpuCycle(void) { unsigned __int64 cycles; asm volatile ("rdtsc" : "=A"(cycles)); return cycles; } // 测试程序省略... ``` 尽管如此,由于多核环境可能导致不一致的结果,建议仅将其作为实验用途而非生产环境中推荐的做法[^3]。 --- ### 总结 以上介绍了四种不同的技术手段分别针对不同类型的需求进行了阐述。每种方案都有其适用范围与局限之处,请根据实际应用场景选择合适的解决方案。
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