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JVM上的隨機數與熵池策略
在apache-tomcat官方文檔：如何讓tomcat啟動更快 裏麵提到了一些啟動時的優化項，其中一項是關於隨機數生成時，采用的“熵源”(entropy source)的策略。
他提到tomcat7的session id的生成主要通過java.security.SecureRandom生成隨機數來實現，隨機數算法使用的是”SHA1PRNG”
private String secureRandomAlgorithm = "SHA1PRNG";
在sun/oracle的jdk裏，這個算法的提供者在底層依賴到操作係統提供的隨機數據，在linux上，與之相關的是/dev/random和/dev/urandom，對於這兩個設備塊的描述以前也見過討論隨機數的文章，wiki中有比較詳細的描述，摘抄過來，先看/dev/random ：
在讀取時，/dev/random設備會返回小於熵池噪聲總數的隨機字節。/dev/random可生成高隨機性的公鑰或一次性密碼本。若熵池空了，對/dev/random的讀操作將會被阻塞，直到收集到了足夠的環境噪聲為止
而 /dev/urandom 則是一個非阻塞的發生器:
dev/random的一個副本是/dev/urandom （”unlocked”，非阻塞的隨機數發生器），它會重複使用熵池中的數據以產生偽隨機數據。這表示對/dev/urandom的讀取操作不會產生阻塞，但其輸出的熵可能小於/dev/random的。它可以作為生成較低強度密碼的偽隨機數生成器，不建議用於生成高強度長期密碼。
另外wiki裏也提到了為什麼linux內核裏的隨機數生成器采用SHA1散列算法而非加密算法，是為了避開法律風險(密碼出口限製)。
回到tomcat文檔裏的建議，采用非阻塞的熵源(entropy source)，通過java係統屬性來設置：
-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom
這個係統屬性egd表示熵收集守護進程(entropy gathering daemon)，但這裏值為何要在dev和random之間加一個點呢？是因為一個jdk的bug，在這個bug的連接裏有人反饋及時對 securerandom.source 設置為 /dev/urandom 它也仍然使用的 /dev/random，有人提供了變通的解決方法，其中一個變通的做法是對securerandom.source設置為 /dev/./urandom 才行。也有人評論說這個不是bug，是有意為之。
我看了一下我當前所用的jdk7的java.security文件裏，配置裏仍使用的是/dev/urandom：
#
# Select the source of seed data for SecureRandom. By default an
# attempt is made to use the entropy gathering device specified by
# the securerandom.source property. If an exception occurs when
# accessing the URL then the traditional system/thread activity
# algorithm is used.
#
# On Solaris and Linux systems, if file:/dev/urandom is specified and it
# exists, a special SecureRandom implementation is activated by default.
# This "NativePRNG" reads random bytes directly from /dev/urandom.
#
# On Windows systems, the URLs file:/dev/random and file:/dev/urandom
# enables use of the Microsoft CryptoAPI seed functionality.
#
securerandom.source=file:/dev/urandom
我不確定jdk7裏，這個 /dev/urandom 也同那個bug報告裏所說的等同於 /dev/random；要使用非阻塞的熵池，這裏還是要修改為/dev/./urandom 呢，還是jdk7已經修複了這個問題，就是同注釋裏的意思，隻好驗證一下。
使用bug報告裏給出的代碼：
import java.security.SecureRandom;
class JRand {
public static void main(String args[]) throws Exception {
System.out.println("Ok: " +
SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG").nextLong());
}
}
然後設置不同的係統屬性來驗證，先是在我的mac上：
% time java -Djava.security.egd=file:/dev/urandom JRand
Ok: 8609191756834777000
java -Djava.security.egd=file:/dev/urandom JRand
0.11s user 0.03s system 115% cpu 0.117 total
% time java -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom JRand
Ok: -3573266464480299009
java -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom JRand
0.11s user 0.03s system 116% cpu 0.116 total
可以看到/dev/urandom和 /dev/./urandom 的執行時間差不多，有點納悶，再仔細看一下wiki裏說的：
FreeBSD操作係統實現了256位的Yarrow算法變體，以提供偽隨機數流。與Linux的/dev/random不同，FreeBSD的/dev/random不會產生阻塞，與Linux的/dev/urandom相似，提供了密碼學安全的偽隨機數發生器，而不是基於熵池。而FreeBSD的/dev/urandom則隻是簡單的鏈接到了/dev/random。
盡管在我的mac上/dev/urandom並不是/dev/random的鏈接，但mac與bsd內核應該是相近的，/dev/random也是非阻塞的，/dev/urandom是用來兼容linux係統的，這兩個隨機數生成器的行為是一致的。參考這裏。
然後再到一台ubuntu係統上測試：
% time java -Djava.security.egd=file:/dev/urandom JRand
Ok: 6677107889555365492
java -Djava.security.egd=file:/dev/urandom JRand
0.14s user 0.02s system 9% cpu 1.661 total
% time java -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom JRand
Ok: 5008413661952823775
java -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom JRand
0.12s user 0.02s system 99% cpu 0.145 total
這回差異就完全體現出來了，阻塞模式的熵池耗時用了1.6秒，而非阻塞模式則隻用了0.14秒，差了一個數量級，當然代價是轉換為對cpu的開銷了。
// 補充，連續在ubuntu上測試幾次/dev/random方式之後，導致熵池被用空，被阻塞了60秒左右。應用服務器端要避免這種方式。
最後更新：2017-05-23 19:31:55