计算机无法实现真随机数,计算机生成真随机数原理及实践

计算机生成真随机数原理及实践

经常可以听到一种痴语：计算机是有限状态机，不能产生随机数...。但实际上计算机在硬件驱动过程中是可以生成随机数的。

首先看一个例子我们让电脑控制室内温度，工作情况大致是这样的，首先电脑要有探测温度的传感器、和控制温度的空调，电脑得到室温后和设定温度进行比较，如果温度过高则启动空调降温、过低则启动空调升温，这时室温就是以设定温度为中心的变数，从中可以提取随机数。

我们知道电脑的显示和发声也都是属于硬件驱动，电脑通过对显卡和声卡的驱动达到显示和发声，而显卡和声卡都有自己的逻辑处理器，计算机向它们发出的指令并不是都能得到立即执行的，它们各自的处理器要根据自己的状态安排执行计算机CPU指令，所以对某些指令的执行时间是不确定的，具体表现在执行某些函数时运行时间是随机的。我们利用这种时间的不确定性就可以让计算机程序生成随机数。

例如C++语言中的Beep(0,0),SetWindowText(NULL),MessageBeep(MB_ICONQUESTION)等，其它语言的函数也有类似情况是肯定的。

我们只要连续调用此类函数，监测其执行时间，处理执行时间就可以达到目的。但函数的执行时间都是很短暂的，用一般测量时间的方法都太粗糙了，必须自己设计度量方法。每个计算机都有其工作频率称为主频，与之相对应的是时钟周期，做一个函数读取计算机运行以来的时钟周期，用函数运行时计算机所经历的周期数来度量时间；测量一下当前的周期数，让函数运行，再测量一下当前的周期数，两个周期数的差值再减去一个本底值就代表了函数运行时间，如此做多个循环就可以大量采集运行时间了，处理运行时间数组得到随机数组。

且看实验数据:

连续调用Beep(0,0)函数的运行时间115636,114283,114899,115030,114488,114350,114866,115132,114317,114757

处理数据的方法很多这里只用最简单的方式。

将结果放在字数组里则有　 50100,48747,49363,49494,48952,48814,49330,49596,48781,49221

放在字节数组里则有　180,107,211,86,56,174,178,188,141,69

显然放到16位的字数组里效果不好，这是因为函数运行时间只比16位的最大值大0.7倍左右。但放到8位数组里效果不错，而其它位数的数据由此组合即可。

通过生成大量数据的检测没有发现周期现象，也就是从不重复的，数组长度大时所有元素等概率出现随机性良好，所以它们是真随机数。在需要少量随机数的地方还是有用的，它发生简单并且不需要其它硬件。

这里只是利用某些函数的特点来达到生成随机数的目的，因为不是专门设计制作的，所以效率不高，在主频600M的笔记本上大约达到 10k字节/s的速度。