各言語での、本当に安全な乱数の作り方 #新人プログラマ応援

結論

乱数生成と言っても、プログラムの世界では、
ただの疑似乱数生成関数と、暗号論的疑似乱数生成関数の2種類があります。

乱数を作るときは、どちらを使うべきか意識して使いましょう。

特に、

複数回高速実行されうる
並列同時実行されうる
暗号化の用途としてつかう

などの場合は、ただの疑似乱数生成関数ではなく、暗号論的疑似乱数生成関数を使いましょう。

疑似乱数？暗号論的？

(説明とかいいから、さっさと言語別サンプル見せろという方はこちら）

頭に暗号論的がつかない、ただの疑似乱数生成関数(PRNG)は、
高速または並列で、同時に実行されると
同じ値を返却してしまうという問題があります。

実験

乱数生成サンプル(C#)

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    var r = new Random();
    Console.WriteLine(r.Next());
}

出力結果

高速実行、または同時実行で同じ値が返却される理由

これが起きてしまうのは、ただの疑似乱数は

シードが同じなら、同じ結果を返す
シードを指定しないと、通常、現在時刻（ミリ秒単位）を使う（言語によっては微妙に異なるかも）

ためで、
つまり、高速 or 平行実行された結果、同時に実行されると、
同じ値を返却してしまうためである。

毎回異なるシードをあたえればいい？

単純に、ランダムな値がほしいなら、それでも大丈夫です。
が、高速でも並行でも他の実行と異なるシードってどう作ればいいのでしょう？

少なくともこれはダメです。

乱数を2回重ねる(C#)

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    var r = new Random();
    var r2 = new Random(r.Next());
    Console.WriteLine(r2.Next());
}

1個目の乱数の結果が同じになるので、
結局シードが同じになり、生成される乱数も同じになります。

幸運にも実行スレッド単位で一意のキーを持っている・取得できるなら、
そのキー＋実行回数をシードに与える事で、毎回異なる乱数を取得できますが、
そんな幸運は余りありませんし、そのためにスレッドの一意キーを生成するのは、ナンセンスです。

殺伐としたライブラリに暗号論的疑似乱数生成器(CSPRNG)が！

でも暗号論的疑似乱数生成器が実装されているなら、話は簡単です。

暗号論的疑似乱数生成サンプル(C#)

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    var randomByte = new byte[4];
    using(var rng = new System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider())
    {
        rng.GetBytes(randomByte);
    }
    Console.WriteLine(System.BitConverter.ToInt32(randomByte,0));
}

出力結果

-1078661811
510582217
-94865278
-602342842
-1315655704
-1868274994
-2112133054
-266973531
248470422
-1808682364

この通り、同時実行されても、それぞれ全く異なる乱数が手に入ります。

各言語のサンプルコード

以下、各言語でのただの～(PRNG)と暗号論的～(CSPRNG)のサンプルソースです。

※データ型は整数だったり、小数だったりバラバラです。

C#

PRNG

var rng = new Random();
Console.WriteLine(rng.Next());

CSPRNG

var randomByte = new byte[4];
using(var rng = new System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider())
{
    rng.GetBytes(randomByte);
}
Console.WriteLine(System.BitConverter.ToInt32(randomByte,0));

vb.net

PRNG

Dim rng As New Random()
Console.WriteLine(rng.Next())

CSPRNG

Dim randomByte As Byte() = New Byte(3) {}
Using rng As New System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider()
    rng.GetBytes(randomByte)
End Using
Console.WriteLine(System.BitConverter.ToInt32(randomByte, 0))

PHP

PRNG

echo rand()

CSPRNG

echo random_int(PHP_INT_MIN,PHP_INT_MAX)

Java

PRNG

double randomNumber = Math.random();
System.out.println(randomNumber);

CSPRNG

import java.security.SecureRandom;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public static void main (String args[]) {
    try {
        SecureRandom randomNumber = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
        System.out.println(randomNumber.nextDouble());
    } catch (NoSuchAlgorithmException nsae) { 
        // 例外ハンドラ
    }
}

Python

PRNG

import random

print(random.random())

CSPRNG

import os
import sys
import random

rng = random.SystemRandom()
print(rng.randint(0, sys.maxsize))

node.js

PRNG

console.log(Math.random())

CSPRNG

標準では用意されていないが、random-number-csprngを使えば大丈夫
以下は、掲載されていたサンプルソース

var Promise = require("bluebird");
var randomNumber = require("random-number-csprng");

Promise.try(function() {
    return randomNumber(10, 30);
}).then(function(number) {
    console.log("Your random number:", number);
}).catch({code: "RandomGenerationError"}, function(err) {
    console.log("Something went wrong!");
});

javascript

PRNG

console.log(Math.random());

CSPRNG

var array = new Uint32Array(1);
window.crypto.getRandomValues(array);
console.log(array[0]);

※なお、ブラウザによっては、window.crypto.getRandomValues()が使えない場合があります。
※その場合、適切な代替手段はありません。

SQL Server

PRNG

SELECT RAND()

CSPRNG

SELECT CAST(CRYPT_GEN_RANDOM(8000) AS INT)

MySql

PRNG

SELECT RAND()

CSPRNG

組み込み関数としては用意されていない。
アプリケーション側で作って下さい。

mongoDB

PRNG

print(Math.random())

CSPRNG

組み込み関数としては用意されていない（？）
アプリケーション側で作って下さい。