Linux программирование в примерах - Арнольд Роббинс

49   exit(1);

50  }

51

52  for (i = 1; i <= nfaces; i++) {

53   j = rand() % 6; /* force to range 0 <= j <= 5 */

54   printf("+-------+n" );

55   for (k = 0; k < 3; k++)

56    printf("|%s|n", die_faces[(j * 3) + k]);

57   printf ("+-------+nn");

58  }

59

60  return 0;

61 }

Эта программа использует простую ASCII-графику для распечатывания подобия грани игральной кости. Вы вызываете ее с числом граней для вывода. Это вычисляется в строке 44 с помощью atoi(). (В общем, atoi() следует избегать в коде изделия, поскольку она не осуществляет проверку на ошибки или переполнение, также как не проверяет вводимые данные.)

Ключевой является строка 53, которая преобразует возвращаемое значение rand() в число от нуля до пяти, используя оператор остатка, %. Значение 'j * 3' действует в качестве начального индекса массива die_faces для трех строк, составляющих каждую грань кости. Строки 55 и 56 выводят саму грань. При запуске появляется вывод наподобие этого:

$ ch12-rand 2 /* Вывести две кости */

+-------+

|       |

| *   * |

|       |

+-------+

+-------+

| *   * |

|   *   |

| *   * |

+-------+

Интерфейс rand() восходит еще к V7 и PDP-11. В частности, на многих системах результатом является лишь 16-разрядное число, что значительно ограничивает диапазон чисел, которые могут быть возвращены. Более того, используемый им алгоритм по современным стандартам считается «слабым». (Версия rand() GLIBC не имеет этих проблем, но переносимый код должен быть написан со знанием того, что rand() не является лучшим API для использования.)

ch12-rand.c использует для получения значения в определенном интервале простую методику: оператор %. Эта методика использует младшие биты возвращенного значения (как при десятичном делении, когда остаток отделения на 10 или 100 использует одну или две младшие десятичные цифры). Оказывается, исторический генератор rand() производил лучшие случайные значения в средних и старших битах по сравнению с младшими битами. Поэтому, если вы должны использовать rand(), постарайтесь избежать младших битов. Справочная страница GNU/Linux rand(3) цитирует «Числовые рецепты на С»[129], которая рекомендует эту методику:

j = 1+ (int)(10.0*rand()/(RAND_MAX+1.0)); /* для числа от 1 до 10 */

12.6.2. Функции POSIX: random() и srandom()

BSD 4.3 ввело random() и сопровождающие ее функции. Эти функции используют намного более подходящий генератор случайных чисел, который возвращает 31-разрядное значение. Теперь они входят в расширение XSI, стандартизованное POSIX:

#include <stdlib.h> /* XSI */

long random(void);

void srandom(unsigned int seed);

char *initstate(unsigned int seed, char *state, size_t n);

char *setstate(char *state);

Первые две функции близко соответствуют rand() и srand() и могут использоваться сходным образом. Однако, вместо одного начального значения, которое дает последовательность псевдослучайных чисел, эти функции используют начальное значение вместе с массивом состояния: массивом байтов, который хранит сведения о состоянии для вычисления псевдослучайных чисел. Последние две функции дают возможность управлять массивом состояния.

long random(void);

Возвращает число в диапазоне от 0 до 231-1. (Хотя справочная страница GNU/Linux random(3) говорит между 0 и RAND_MAX, это верно лишь для систем GLIBC, где RAND_MAX равен 231-1. На других системах RAND_MAX может быть меньше. POSIX явно называет диапазон от 0 до 231-1.)

void srandom(unsigned int seed);

Устанавливает начальное число. Если srandom() никогда не вызывается, по умолчанию используется 1.

char *initstate(unsigned int seed, char *state, size_t n);

Инициализирует массив state информацией для использования при генерации случайных чисел, seed является начальным значением, как для srandom(), а n является числом байтов в массиве state.

n должен равняться одному из значений 8, 32, 64, 128 или 256. Большие значения дают лучшие последовательности случайных чисел. Значения меньше 8 заставляют random() использовать простой генератор случайных чисел, сходный с rand(). Значения больше 8, не равные одному из значений в списке, округляются до ближайшего подходящего значения.

char *setstate(char *state);

Устанавливает внутреннее состояние в соответствии с массивом state, который должен быть инициализирован посредством initstate(). Это позволяет переключаться по желанию между различными состояниями, предоставляя множество генераторов случайных чисел.

Если initstate() и setstate() никогда не вызывались, random() использует массив внутреннего состояния размером 128.

Массив state непрозрачен; вы инициализируете его с помощью initstate() и передается функции random() посредством setstate(), но в другом отношении вам не нужно заглядывать в него. Если вы используете initstate() и setstate(). srandom() вызывать не нужно, поскольку начальное значение включено в информацию о состоянии. ch12-random.c использует эти процедуры вместо rand(). Используется также обычная методика, которая заключается в использовании в качестве начального значения генератора случайных чисел времени дня, добавленного к PID.

1  /* ch12-random.c --- генерация вращения костей с использованием random(). */

2

3  #include <stdio.h>

4  #include <stdlib.h>

5  #include <sys/types.h>

6  #include <unistd.h>

7

8  char *die_faces[] = { /* Управляет ASCII графика! */

    /* ... как раньше ... */

32 };

33

34 /* main --- выводит N различных граней кубиков */

35

36 int main(int argc, char **argv)

37 {

38  int nfaces;

39  int i, j, k;

40  char state[256];

41  time_t now;

42

    /* ... проверка args, вычисление nfaces, как раньше ... */

55

56  (void)time(&now); /* В качестве начального значения используются время дня и PID */

57  (void) initstate((unsigned int)(now + getpid()), state, sizeof state);

58  (void)setstate(state);

59

60  for (i = 1; i <= nfaces; i++) {

61   j = random() % 6; /* использовать диапазон 0 <= j <= 5 */

62    printf("+-------+n");

63    for (k = 0; k < 3; k++)

64     printf("|%s|n", die_faces[(j * 3) + k]);

65    printf("+-------+nn");

66  }

67

68  return 0;

69 }

Включение PID в состав начального значения гарантирует, что вы получите различные результаты, даже если две программы будут запушены в течение одной и той же секунды.

Поскольку она создает последовательности случайных чисел лучшего качества, random() является более предпочтительной по сравнению с rand(), и GNU/Linux и все современные системы Unix ее поддерживают.

12.6.3. Особые файлы /dev/random и /dev/urandom

Как rand(), так и srandom() являются генераторами псевдослучайных чисел. Их вывод для одного и того же начального значения является воспроизводимой последовательностью чисел. Некоторым приложениям, подобным криптографическим, необходимо, чтобы их случайные числа были действительно (более) случайными. С этой целью ядро Linux, также как различные BSD и коммерческие Unix системы предусматривают специальные файлы устройств, которые предоставляют доступ к «энтропийному пулу» случайных битов, которые ядро собирает от физических устройств и других источников. Из справочной страницы random(4):

/dev/random

[Байты, прочитанные из этого файла, находятся] внутри предполагаемого числа шумовых битов в энтропийном пуле, /dev/random должен подходить для использования в случаях, когда необходим высокий уровень случайности, таких, как одноразовая генерация ключа или блока памяти. Когда энтропийный пул пустой, чтение /dev/random будет блокироваться до тех пор, пока не будет собран дополнительный шум окружения.

/dev/urandom

[Это устройство будет] возвращать столько байтов, сколько затребовано. В результате, если нет достаточной энтропии в энтропийном пуле, возвращаемые значения теоретически уязвимы для криптографической атаки алгоритма, использованного драйвером. Знание того, как это сделать, недоступно в современной не секретной литературе, но теоретически возможно существование подобной атаки. Если для вашего приложения это представляет проблему, вместо этого используйте /dev/random.

Для большинства приложений чтения из /dev/urandom должно быть вполне достаточно. Если вы собираетесь написать криптографические алгоритмы высокого качества, следует сначала почитать о криптографии и случайности; не полагайтесь здесь на поверхностное представление! Вот еще одна наша программа для бросания костей, использующая /dev/urandom: