如何生成随机字母数字字符串

技术背景

在许多应用场景中，我们需要生成随机的字母数字字符串，例如生成唯一的会话标识符、对象标识符、密码等。在 Java 中，有多种方法可以实现这一需求，不同的方法适用于不同的场景，需要综合考虑安全性、性能和易用性等因素。

实现步骤

1. 基本思路

生成随机字符串的基本算法是从可接受的符号集中随机抽取字符，然后将这些字符拼接起来，直到字符串达到所需的长度。

2. 代码实现

以下是几种常见的实现方式：

自定义类实现

public class RandomString {

    public String nextString() {
        for (int idx = 0; idx < buf.length; ++idx)
            buf[idx] = symbols[random.nextInt(symbols.length)];
        return new String(buf);
    }

    public static final String upper = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
    public static final String lower = upper.toLowerCase(java.util.Locale.ROOT);
    public static final String digits = "0123456789";
    public static final String alphanum = upper + lower + digits;

    private final java.util.Random random;
    private final char[] symbols;
    private final char[] buf;

    public RandomString(int length, java.util.Random random, String symbols) {
        if (length < 1) throw new IllegalArgumentException();
        if (symbols.length() < 2) throw new IllegalArgumentException();
        this.random = java.util.Objects.requireNonNull(random);
        this.symbols = symbols.toCharArray();
        this.buf = new char[length];
    }

    public RandomString(int length, java.util.Random random) {
        this(length, random, alphanum);
    }

    public RandomString(int length) {
        this(length, new java.security.SecureRandom());
    }

    public RandomString() {
        this(21);
    }
}

使用示例：

RandomString gen = new RandomString(8, java.util.concurrent.ThreadLocalRandom.current());
String randomStr = gen.nextString();

使用 UUID

import java.util.UUID;

public class RandomStringGenerator {
    public static String generateString() {
        String uuid = UUID.randomUUID().toString();
        return uuid.replace("-", "");
    }
}

使用示例：

String randomUUIDStr = RandomStringGenerator.generateString();

使用 SecureRandom 结合编码

import java.math.BigInteger;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.Base64;

public class RandomTokenGenerator {
    public static String generateRandomHexToken(int byteLength) {
        SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
        byte[] token = new byte[byteLength];
        secureRandom.nextBytes(token);
        return new BigInteger(1, token).toString(16);
    }

    public static String generateRandomBase64Token(int byteLength) {
        SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
        byte[] token = new byte[byteLength];
        secureRandom.nextBytes(token);
        return Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(token);
    }
}

使用示例：

String hexToken = RandomTokenGenerator.generateRandomHexToken(16);
String base64Token = RandomTokenGenerator.generateRandomBase64Token(16);

核心代码

以下是一个简单的生成随机字母数字字符串的核心代码：

import java.util.Random;

public class SimpleRandomStringGenerator {
    public static String generateRandomString(int length) {
        final String characters = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJLMNOPQRSTUVWXYZ1234567890";
        StringBuilder result = new StringBuilder();
        Random rand = new Random();
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            result.append(characters.charAt(rand.nextInt(characters.length())));
        }
        return result.toString();
    }
}

使用示例：

String simpleRandomStr = SimpleRandomStringGenerator.generateRandomString(10);

最佳实践

• 安全性要求高的场景：使用 SecureRandom 生成随机字节，然后根据需要进行编码（如 Base64、Base32、十六进制等）。例如生成会话标识符时，应使用 SecureRandom 确保随机性和安全性。
• 简单场景：可以使用 Random 类结合简单的字符拼接实现，如生成临时的测试数据。
• 需要唯一标识符：可以使用 UUID，但要注意其格式和长度。如果需要去除 -，可以使用 replace 方法。

常见问题

• 碰撞问题：在生成大量随机字符串时，可能会出现碰撞（即生成相同的字符串）。为了降低碰撞的概率，可以增加字符串的长度或使用更多的字符集。根据“生日悖论”，碰撞的概率约为 $n^2/(2q^x)$，其中 $n$ 是实际生成的标识符数量，$q$ 是字母表中不同符号的数量，$x$ 是标识符的长度。
• 性能问题：SecureRandom 是 Java 中生成随机字节最安全但最慢的方式。如果需要生成大量的随机字符串，且对安全性要求不是特别高，可以考虑使用 Random 类。
• 编码问题：在选择编码方式时，要考虑到字符串的使用场景。例如，如果字符串要包含在 URL 中，应使用 URL 安全的编码方式（如 Base64 URL 安全编码）。