Генерация случайных чисел в C#

Генерация случайных чисел является неотъемлемой и важной частью многих криптографических операций. Например, криптографические ключи должны выбираться настолько случайно, насколько это, в принципе, возможно. В .NET C# есть несколько вариантов генерации случайных чисел.

Класс Random

Этот класс представляет генератор псевдослучайных чисел. То есть, в работе этого класса заложен алгоритм, который генерирует последовательность чисел, отвечающую определенным статистическим критериям случайности.

Конструкторы класса Random

У класса определено два конструктора. Первый конструктор — без параметров, создает новый экземпляр класса и инициализирует его значением по умолчанию. В .NET Framework начальное значение по умолчанию зависит от текущего времени. В .NET Core и более поздних версиях платформы начальное значение по умолчанию создается генератором псевдослучайных чисел потока. Конструктор без параметров используется наиболее часто и позволяет создавать генераторы случайных чисел с оптимальной производительностью и вероятностью распределения случайной величины. Например, так мы можем создать экземпляр Random, используя этот конструктор:

Random rnd1 = new Random();

Второй конструктор позволяет создавать новый экземпляр Random и инициализировать его заданным значением, например

Random rnd1 = new Random(100);

Этот конструктор стоит использовать в том случае, если Вам необходимо получать каждый раз одну и ту же серию псевдослучайных чисел, например, для отладки приложения.  Чтобы продемонстрировать наглядно, что имеется в виду, напишем следующий пример:

byte[] bytes1 = new byte[5];
Random rnd1 = new Random();
rnd1.NextBytes(bytes1);
for (int ctr = bytes1.GetLowerBound(0);
     ctr <= bytes1.GetUpperBound(0);
     ctr++)
{
    Console.Write("{0, 5}", bytes1[ctr]);
    if ((ctr + 1) % 10 == 0) Console.WriteLine();
}

здесь мы создаем массив из пяти псевдослучайных байтов и выводим его в консоль. Вот, что мы можем увидеть, если перезапустим наше приложение, скажем, 3 раза:

Три запуска — три различных серии случайных чисел. Теперь воспользуемся конструктором с начальным значением и также попытаемся сформировать три серии случайных чисел:

Random rnd1 = new Random(100);
            //тут тот же код, что и в примере выше

Три запуска — три серии одинаковых чисел.

Вот, собственно, наглядная демонстрация того, чем принципиально отличаются конструкторы у Random.

Методы и свойства Random

Чтобы сгенерировать случайное число, у класса Random предусмотрены следующие методы:

Пример использования класса Random в приложениях C#

byte[] bytes = new byte[100];//создаем массив на 100 элементов
Random rnd = new Random(); //создаем объект класса
rnd1.NextBytes(bytes);//генерация 100 случайных байтов

или, если необходимо получить одно случайное число, то можно воспользоваться методами Next:

int a = rnd1.Next(); //случайное целое число
int b = rnd1.Next(100);//случайное целое число меньше 100
int c = rnd1.Next(-100, 100); //случайное число от -100 до 100
Console.WriteLine(a);
Console.WriteLine(b);
Console.WriteLine(c);

Если вы планируете использовать объекты класса Random в потоках, то необходимо использовать потокобезопасный экземпляр, используя свойство Shared класса, например, так:

Random threadSafeRnd = Random.Shared;

Проблемы с Random

По данным разработчиков, в большинстве систем Windows объекты Random, созданные с интервалом в 15 миллисекунд друг от друга, скорее всего, будут иметь одинаковые начальные значения. Возможно, что это утверждение относится только к .NET Framework (или же информация на сайте Microsoft устарела), так как для .NET 7 пример этой проблемы, предоставленный самой Microsoft, у меня показывал абсолютно различные ряды случайных чисел, несмотря на соблюдение всех условий — создание двух экземпляров Random в течение 15 мс и менее, ряд на 100 элементов и т.д.

Класс RandomNumberGenerator

Этот класс расположен в пространстве имен System.Security.Cryptography и предназначен для создания криптографически надежных случайных значений. Класс абстрактный, поэтому создавать напрямую мы его не можем, но можем использовать классы, его реализующие, например, классом RNGCryptoServiceProvider, который на данный момент не рекомендуется использовать или же, как рекомендуют разработчики из Microsoft — использовать статические методы класса. Посмотрим как работает RandomNumberGenerator.

Статические методы RandomNumberGenerator

Если не создавать наследника для RandomNumberGenerator, то для генерации случайных чисел мы можем воспользоваться следующими статическими методами класса:

Примеры использования этих методов представлены ниже:

Span<byte> bytes = new Span<byte>(bytes1);
RandomNumberGenerator.Fill(bytes);
bytes2 = RandomNumberGenerator.GetBytes(bytes2.Length);

int a = RandomNumberGenerator.GetInt32(100); //случайное число до 100
int b = RandomNumberGenerator.GetInt32(-100, 100); //случайное число от -100 до 100

Проблемы с RandomNumberGenerator

RandomNumberGenerator использует более сложные алгоритмы для генерации случайных чисел и их последовательностей, а за качество нам приходится «платить» скоростью. Поэтому при прочих равных условиях RandomNumberGenerator будет работать всегда медленнее, чем Random. Ниже в таблице, для примера, показано время в миллисекундах которое потребовалось двум генераторам для генерации 1000 000 случайных величин

Итого

Для генерации случайных чисел в C# могут использоваться два класса — Random и RandomNumberGenerator. При этом, класс Random обладает большей производительностью, однако, является менее надежным, чем RandomNumberGenerator, который использует более сложные алгоритмы генерации случайных величин и используется в работе алгоритмов шифрования.