随机数真的是随机的么? ---让菠菜、彩票等裤衩赔穿的漏洞

　　日常业务中，经常会生成随机数，这里以C++为例，常见的随机数生成方法如下：原理很简单，先生成一个随机数生成器，指定种子，然后生成随机数；

#include <iostream>
#include <windows.h>

int main()
{
    printf("time(0)=%d",time(0));
    srand(0);
    for(int i=0;i<=10;i++){
        printf("%d\n",rand());
    }
    system("pause");
    
}

　　根据随机数的定义，每次生成的数不一样才能叫随机数。然而上面这段代码真是这样的么？我们看看效果了：生产的10个数确实不一样啊，这不就是我们想要的效果么？ 感兴趣的读者可以自行尝试多生成一些数，看看每次生成的数是不是都不一样！

　　

        然而这样就结束了么？图样图森破！同样的代码，我们多运行几次实例看看了，效果如下：不同的时间点我生成了4个不同的实例，然后每次生成实例产生的随机数都是一样的，这是不是很“毁三观”啊！

　　

 　　我明明想生成随机数，为啥每次生成实例产生的数据都是一样的了？换句话说：srand生成随机数的原理是啥了？

　　 计算机的随机数都是由伪随机数，即是由小M多项式序列生成的，其中产生每个小序列都有一个初始值，即随机种子。（注意： 小M多项式序列的周期是65535，即每次利用一个随机种子生成的随机数的周期是65535，当你取得65535个随机数后它们又重复出现了。）我们知道 rand() 函数可以用来产生随机数，但是这不是真正意义上的随机数，是一个伪随机数，是根据一个数（我们可以称它为种子）为基准以某个递推公式推算出来的一系列数，当这系列数很大的时候，就符合正态公布，从而相当于产生了随机数，但这不是真正的随机数，所以我们运行不同实例时产生的“随机数”居然是一样的，都是相同种子惹的祸！所以我们把种子用当前时间来代替，重新更改后的代码如下：

#include <iostream>
#include <windows.h>

int main()
{
    int seed = time(0);
    printf("seed=%d", seed);
    srand(seed);
    for(int i=0;i<=10;i++){
        printf("%d\n",rand());
    }
    system("pause");
}

　　多运行几个实例，每次产生的数确实不一样了：这样就万事大吉、高枕无忧了？

    

     前面说了：相同的种子，产生的伪随机数是一样的，是不是也可以反过来猜想: 根据伪随机数倒推种子了？比如我先在看到的数字是22843、6380、25403、7962，是不是能倒推出种子是16210637719041了？一旦倒推出种子，我是不是也能成功预测第5个数字是13894了？穷举找seed的代码如下：

int num[] = { 22843,6380,25403,7962 };
    int seed = time(0);
    bool bfind = false;
    while (seed--) 
    {
        srand(seed);
        for (int i=0;i<4;i++) 
        {
            if (num[i]!=rand()) 
            {
                bfind = false;
                break;
            }
            bfind = true;
        }
        printf("%d is not the seed,continue!\n", seed);
        if (bfind) 
        {
            printf("find the seed:%d \n", seed);
            break;
        }
           
    }

　　一旦找到seed，就能用这个seed继续生成剩下的数字，准确预测了！

　　注意：实战时，因为不知道菠菜站点启动服务器的时间，所以这个计算量较大，一般都是用服务器+多线程跑的，这里只是介绍最核心的原理，感兴趣的小伙伴可以自行尝试！

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　　怎么才能得到尽可能随机的数了？这就要回到随机数的定义了！我个人简单理解：所谓随机数，就是没有规律、无法精准预测、琢磨不透生成规律的数！为了达到这个效果，这里“不走寻常路”地用多线程（不考虑同步）去读写数据，原因很简单：

　　多个线程之间如果不用互斥、信号量等同步，强行在“同一时间”读写同一个内存的数据，那么问题来了：哪个线程先读写？哪个线程后读写？内存被读写后的结果是啥？就我个人浅薄的知识理解，影响最终结果的关键因素如下：

• 　　cpu的内部缓存：cpu有3级缓存，每级缓存存放的数据和共享的范围是不一样的，内存数据都会被先读到缓存后再进入cpu的运算单元处理
•        线程的调度：这个是由操作系统实现的；调度的算法，包括但不限于先进先出、最短耗时任务优先、时间片轮转、最大最小公平、multi-level feedback、多CPU核场景下MFQ等，调度机制异常复杂！　

       机制越复杂，人为预测（甚至是猜测）准确的可能性就越小，这不就是“随机”要达到的效果么？所以这里尝试用多线程读写同一内存的方式生产随机数，核心代码如下：

　　

#include <pthread.h>

int num = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void* inc_num(void* arg) {
    //pthread_mutex_lock(&mutex);
    for (int i= 0; i <= 10000; i++) {
        num++;
    }
    //pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* dec_num(void* arg) {
    //pthread_mutex_lock(&mutex);
    for (int i = 0; i <= 10000; i++) {
        num--;
    }
    //pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void main() {
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    pthread_t thread_id[50];
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        if (i % 2) {
            pthread_create(thread_id + 1, NULL, inc_num, NULL);
        }
        else {
            pthread_create(thread_id + 1, NULL, dec_num, NULL);
        }
    }
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        pthread_join(thread_id[i],NULL);
    }
    printf("num is %d",num);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

　　代码的原理很简单：生成50个线程，奇数号线程增加num，偶数号线程减少num，但是线程完全不使用同步机制！由于上述的cpu缓存、os线程调度机制很复杂，人为预测准确的概率较小，反正我尝试过多次后还没遇到重复的结果！

 

1、https://www.runoob.com/w3cnote/cpp-rand-srand.html  C++ rand 与 srand 的用法

2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/97071815 内核调度算法