如何在 C 中使用 /dev/random 或 urandom？

问题描述：

我想在 C 中使用/dev/random或/dev/urandom。我该怎么做？我不知道如何在 C 中处理它们，如果有人知道请告诉我怎么做。谢谢。

解决方案 1：

一般来说，最好避免打开文件来获取随机数据，因为该过程中存在许多故障点。

在最近的 Linux 发行版中，getrandom系统调用可用于获取加密安全随机数，如果 GRND_RANDOM没有指定为标志并且读取量最多为 256 字节，则它不会失败。

截至 2017 年 10 月，OpenBSD、Darwin 和 Linux（带有-lbsd）现在都已实现arc4random加密安全且不会失败的。这使其成为一个非常有吸引力的选择：

char myRandomData[50];
arc4random_buf(myRandomData, sizeof myRandomData); // done!

否则，你可以将随机设备当作文件来使用。你从中读取数据，然后获得随机数据。我在这里使用open/ read，但fopen/fread也同样有效。

int randomData = open("/dev/urandom", O_RDONLY);
if (randomData < 0)
{
    // something went wrong
}
else
{
    char myRandomData[50];
    ssize_t result = read(randomData, myRandomData, sizeof myRandomData);
    if (result < 0)
    {
        // something went wrong
    }
}

在关闭文件描述符之前，您可以读取更多随机字节。/dev/urandom 永远不会阻塞，并且始终会填充您请求的字节数，除非系统调用被信号中断。它被认为是加密安全的，应该是您的首选随机设备。

/dev/random 更加挑剔。在大多数平台上，它返回的字节数可能比您要求的要少，并且如果没有足够的字节可用，它可能会阻塞。这使得错误处理过程更加复杂：

int randomData = open("/dev/random", O_RDONLY);
if (randomData < 0)
{
    // something went wrong
}
else
{
    char myRandomData[50];
    size_t randomDataLen = 0;
    while (randomDataLen < sizeof myRandomData)
    {
        ssize_t result = read(randomData, myRandomData + randomDataLen, (sizeof myRandomData) - randomDataLen);
        if (result < 0)
        {
            // something went wrong
        }
        randomDataLen += result;
    }
    close(randomData);
}

解决方案 2：

上面还有其他准确的答案。FILE*不过，我需要使用流。以下是我所做的...

int byte_count = 64;
char data[64];
FILE *fp;
fp = fopen("/dev/urandom", "r");
fread(&data, 1, byte_count, fp);
fclose(fp);

解决方案 3：

只需打开文件进行读取，然后读取数据即可。在 C++11 中，您可能希望使用std::random_device提供对此类设备的跨平台访问。

解决方案 4：

Zneak 100% 正确。读取比启动时所需的随机数略大的随机数缓冲区也很常见。然后，您可以填充内存中的数组，或将它们写入您自己的文件以供以后重复使用。

上述内容的典型实现：

typedef struct prandom {
     struct prandom *prev;
     int64_t number;
     struct prandom *next;
} prandom_t;

这或多或少就像一盘磁带，可以随时向前移动，需要时可以神奇地用另一根线补充。有很多服务提供大型文件转储，其中只包含使用更强大的生成器生成的随机数，例如：

• 放射性衰变

• 光学行为（光子撞击半透明镜子）

• 大气噪声（不如上述噪声强烈）

• 一群醉醺醺的猴子在键盘上打字，移动老鼠（开玩笑）

不要使用“预打包”的熵作为加密种子，以防万一。这些集合对于模拟来说很好，但对于生成密钥等来说则完全不行。

不关心质量，如果您需要大量数字来进行蒙特卡罗模拟之类的操作，最好以不会导致 read() 阻塞的方式提供它们。

但是，请记住，数字的随机性与生成数字所涉及的复杂性一样具有确定性。/dev/random和/dev/urandom很方便，但不如使用 HRNG（或从 HRNG 下载大量转储）那么强大。 还值得注意的是，/dev/random 通过熵进行重新填充，因此根据情况，它可能会阻塞相当长一段时间。

解决方案 5：

zneak 的回答很简单，但实际情况比这更复杂。例如，您需要首先考虑 /dev/{u}random 是否真的是随机数设备。如果您的机器已被入侵并且设备被替换为指向 /dev/zero 或稀疏文件的符号链接，则可能会发生这种情况。如果发生这种情况，随机流现在完全可以预测。

最简单的方法（至少在 Linux 和 FreeBSD 上）是在设备上执行 ioctl 调用，只有当设备是随机生成器时该调用才会成功：

int data;
int result = ioctl(fd, RNDGETENTCNT, &data); 
// Upon success data now contains amount of entropy available in bits

如果这是在第一次读取随机设备之前执行的，那么你很有可能已经获得了随机设备。因此@zneak 的答案可以更好地扩展为：

int randomData = open("/dev/random", O_RDONLY);
int entropy;
int result = ioctl(randomData, RNDGETENTCNT, &entropy);

if (!result) {
   // Error - /dev/random isn't actually a random device
   return;
}

if (entropy < sizeof(int) * 8) {
    // Error - there's not enough bits of entropy in the random device to fill the buffer
    return;
}

int myRandomInteger;
size_t randomDataLen = 0;
while (randomDataLen < sizeof myRandomInteger)
{
    ssize_t result = read(randomData, ((char*)&myRandomInteger) + randomDataLen, (sizeof myRandomInteger) - randomDataLen);
    if (result < 0)
    {
        // error, unable to read /dev/random 
    }
    randomDataLen += result;
}
close(randomData);

不久前，Insane Coding 博客介绍了这个问题和其他陷阱；我强烈建议阅读整篇文章。我必须赞扬他们提出的解决方案。

编辑以添加（2014-07-25）...

巧合的是，我昨晚读到，作为LibReSSL 努力的一部分，Linux 似乎正在获得GetRandom()系统调用。截至撰写本文时，尚无消息表明它何时会在内核通用版本中可用。然而，这将是获取加密安全随机数据的首选接口，因为它消除了通过文件访问带来的所有陷阱。另请参阅 LibReSSL可能的实现。