QT随机数详解

一、QT随机数简介

QT是一个跨平台的C++开发框架，其中包含了很多有用的类、函数库，其中包含了产生随机数的函数。

QRandomGenerator::global()->generate();

这个函数会返回一个无符号的随机数，并且可以设定随机数的范围，如下：

QRandomGenerator::global()->bounded(10); // 返回一个0~9之间的数
QRandomGenerator::global()->bounded(1, 11); // 返回一个1~10之间的数

二、随机数发生器的初始化

在使用随机数发生器前，需要进行初始化操作，一般使用设备存储的熵来进行初始化，如下：

QRandomGenerator randGen(QDateTime::currentMSecsSinceEpoch() ^
                         static_cast<quint64>(reinterpret_cast<quintptr>(QThread::currentThread())));
randGen.generate();

这里使用了系统时间和当前线程的地址进行异或操作，确保初始化的唯一性。

三、随机数应用场景举例

1、游戏开发

游戏开发中经常需要用到随机数，如随机生成地形、怪物属性、物品掉落等等。

// 随机生成怪物血量
int maxHP = 1000;
int minHP = 500;
int randHP = randGen.bounded(minHP, maxHP+1);
Monster monster(randHP);

2、密码学

密码学中需要用到随机数来确保密码的安全性，如RSA算法中产生密钥需要用到随机数。

// 产生一个1024位的随机素数
QCryptographicHash hash(QCryptographicHash::Sha3_512);
while (true) {
    qint64 num = QRandomGenerator::global()->bounded(1e16, 1e17);
    hash.addData(QByteArray::number(num));
    QByteArray bytes = hash.result().left(128);
    BIGNUM* prime = BN_bin2bn((const unsigned char*)bytes.constData(), bytes.size(), NULL);
    if (BN_is_prime(prime, BN_prime_checks, NULL, NULL, NULL, NULL)) {
        BIGNUM* zero = BN_new();
        BN_zero(zero);
        RSA* rsa = RSA_new();
        rsa->n = prime;
        BIGNUM* e = BN_new();
        BN_set_word(e, RSA_F4);
        rsa->e = e;
        rsa->d = BN_mod_inverse(NULL, e, rsa->n, NULL);
        rsa->p = zero;
        rsa->q = zero;
        rsa->dmp1 = zero;
        rsa->dmq1 = zero;
        rsa->iqmp = zero;
        break;
    }
}

3、数据加密

数据加密中经常需要用到随机数生成初始化向量（IV），用来确保加密的安全性。

// AES加密
QByteArray key;
QByteArray iv = RandGen.generate(16);
QByteArray cipher = QCryptographicHash::hash(rawData, QCryptographicHash::Md5).toHex();
QAESEncryption crypto(QAESEncryption::AES_256, QAESEncryption::ECB);
QByteArray encrypted = crypto.encode(rawData, key, iv);

4、画图应用

画图应用中也需要用到随机数，如随机生成各种图形。

// 随机生成一些点
QPainter painter(&image);
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    int x = randGen.bounded(0, image.width());
    int y = randGen.bounded(0, image.height());
    painter.drawEllipse(x, y, 1, 1);
}

四、注意事项

使用随机数时需要注意一些事项，如唯一性、安全性等等。

1、唯一性

在某些应用场景下，需要确保产生的随机数唯一，如生成订单号、用户ID等等。

// 随机生成一个唯一的ID
quint64 randID = QDateTime::currentMSecsSinceEpoch() ^ static_cast<quint64>(reinterpret_cast<quintptr>(QThread::currentThread()));

2、安全性

在密码学、数据加密等领域使用随机数时需要注意安全性问题，需要使用高质量的随机数发生器，如硬件随机数发生器。

// 使用硬件随机数发生器
QByteArray data;
if (QRandomGenerator::securelySeeded()) {
    data.resize(16);
    if (RAND_bytes((unsigned char*)data.constData(), data.size()) != 1) {
        qWarning() << "RAND_bytes failed";
    }
}

3、分布

随机数发生器产生的数不一定符合某些分布，如正态分布、均匀分布等等，需要进行转换处理。

// 产生正态分布随机数
double mean = 10.0;
double stddev = 2.0;
double randNum = mean + NormRand()*stddev;

五、总结

QT提供了一系列有用的随机数发生器，可以应用到各种领域，同时需要注意随机数的唯一性、安全性和分布问题。