在C#中如何生成随机整数

技术背景

在C#开发中，经常会遇到需要生成随机整数的场景，比如游戏开发中的随机事件、测试用例中的随机数据生成等。然而，计算机通过确定性过程计算出的数字，从定义上来说并非真正的随机。C#提供了多种生成随机整数的方式，每种方式都有其特点和适用场景。

实现步骤

使用 Random 类生成伪随机数

Random 类是C#中常用的生成随机数的类，它生成的是伪随机数。以下是使用示例：

Random rnd = new Random();
int month  = rnd.Next(1, 13);  // 创建一个1到12之间的数字
int dice   = rnd.Next(1, 7);   // 创建一个1到6之间的数字
int card   = rnd.Next(52);     // 创建一个0到51之间的数字

如果需要生成多个随机数，建议保持 Random 实例并重复使用，因为如果在短时间内创建多个 Random 实例，由于随机数生成器是根据系统时钟播种的，它们可能会产生相同的随机数序列。以下是一个封装的方法：

// 函数用于获取随机数
private static readonly Random getrandom = new Random();

public static int GetRandomNumber(int min, int max)
{
    lock(getrandom) // 同步
    {
        return getrandom.Next(min, max);
    }
}

使用 RNGCryptoServiceProvider 类生成安全随机数

RNGCryptoServiceProvider 类使用操作系统的熵来生成种子，能生成更安全的随机数。以下是示例代码：

using (RNGCryptoServiceProvider rg = new RNGCryptoServiceProvider()) 
{ 
    byte[] rno = new byte[5];    
    rg.GetBytes(rno);    
    int randomvalue = BitConverter.ToInt32(rno, 0); 
}

在 .NET 6 及以上版本使用 Random.Shared

在 .NET 6 中，可以使用 Random.Shared 来生成随机数：

int random = Random.Shared.Next();

使用 RandomNumberGenerator 类

RandomNumberGenerator 类基于加密 API 编写，和 RNGCryptoServiceProvider 一样安全且具有相同的随机性：

// 为整数范围生成一个随机数
// 可以根据需要更新参数
RandomNumberGenerator.GetInt32(int.MinValue, int.MaxValue);

使用 Guid 作为种子

可以通过解析 Guid 中的数字部分作为种子来实例化 Random 类：

public int GenerateRandom(int min, int max)
{
    var seed = Convert.ToInt32(Regex.Match(Guid.NewGuid().ToString(), @"\d+").Value);
    return new Random(seed).Next(min, max);
}

使用 Intel Secure Key 兼容 CPU

如果有兼容 Intel Secure Key 的 CPU，可以使用相关库生成真正的随机数和字符串：

// 检查是否为兼容的 CPU
bool isAvailable = RdRandom.GeneratorAvailable();

// 生成10个随机字符
string key       = RdRandom.GenerateKey(10);

// 生成64个随机字符，适用于API密钥 
string apiKey    = RdRandom.GenerateAPIKey();

// 生成一个包含10个随机字节的数组
byte[] b         = RdRandom.GenerateBytes(10);

// 生成一个随机无符号整数
uint i           = RdRandom.GenerateUnsignedInt();

核心代码

使用 Random 类生成指定范围的随机数

Random random = new Random();
int randomNumber = random.Next(5, 16); // 生成5到15之间的随机数

使用 RNGCryptoServiceProvider 类生成安全随机数

using System.Security.Cryptography;
using System;

using (RNGCryptoServiceProvider rng = new RNGCryptoServiceProvider())
{
    byte[] randomNumber = new byte[4];
    rng.GetBytes(randomNumber);
    int value = BitConverter.ToInt32(randomNumber, 0);
}

使用 Random.Shared 生成随机数（.NET 6 及以上）

int random = Random.Shared.Next();

最佳实践

• 避免频繁创建 Random 实例：如果需要生成多个随机数，应保持一个 Random 实例并重复使用，避免在短时间内创建多个实例导致生成相同的随机数序列。
• 根据需求选择合适的随机数生成方式：如果对随机数的安全性要求不高，可以使用 Random 类；如果需要生成安全的随机数，建议使用 RNGCryptoServiceProvider 或 RandomNumberGenerator 类。
• 使用静态随机生成器：在多类或多方法需要随机数的场景中，使用单个静态随机生成器，避免不同实例生成相同的随机数。

常见问题

为什么短时间内创建多个 Random 实例会生成相同的随机数？

Random 类默认使用系统时钟作为种子，由于时钟的分辨率有限，在短时间内创建多个 Random 实例会导致它们使用相同的种子，从而生成相同的随机数序列。

Random 类和 RNGCryptoServiceProvider 类生成的随机数有什么区别？

Random 类生成的是伪随机数，其种子是根据系统时钟生成的，容易被预测；而 RNGCryptoServiceProvider 类使用操作系统的熵来生成种子，生成的随机数更安全，难以被预测。

在 .NET Core 中，多个 Random 实例是否还会有问题？

在 .NET Core 中，Random 类的默认种子从 Environment.TickCount 改为 Guid.NewGuid().GetHashCode()，所以短时间内创建多个 Random 实例生成相同随机数的概率大大降低，但仍然不如 RNGCryptoServiceProvider 安全。