在 Javascript 中为随机数生成器设定种子

javascript random random-seed seeding

2022-08-29 23:04:53

是否可以在JavaScript中为随机数生成器（Math.random）设定种子？

答案 1

不，不可能播种。ECMAScript 规范在这个主题上有意含糊不清，没有提供种子设定的方法，也不要求浏览器甚至使用相同的算法。因此，这样的功能必须由外部提供，谢天谢地，这并不太难。Math.random()

我已经在普通的JavaScript中实现了许多好的，短的和快速的伪随机数生成器（PRNG）函数。所有这些都可以播种并提供高质量的数字。这些不是出于安全目的 - 如果您需要一个可播种的CSPRNG，请查看ISAAC。

首先，请注意正确初始化您的PRNG。为简单起见，下面的生成器没有内置的种子生成过程，但接受一个或多个 32 位数字作为 PRNG 的初始种子状态。相似或稀疏的种子（例如，简单种子 1 和 2）具有低熵，并且可能导致相关性或其他随机性质量问题，有时导致输出具有相似的属性（例如随机生成的水平相似）。为了避免这种情况，最佳做法是使用分布良好的高熵种子和/或超过前15个左右的数字来初始化PRNG。

有很多方法可以做到这一点，但这里有两种方法。首先，哈希函数非常擅长从短字符串生成种子。一个好的哈希函数即使两个字符串相似，也会生成非常不同的结果，所以你不必在字符串上花太多心思。下面是一个示例哈希函数：

function cyrb128(str) {
    let h1 = 1779033703, h2 = 3144134277,
        h3 = 1013904242, h4 = 2773480762;
    for (let i = 0, k; i < str.length; i++) {
        k = str.charCodeAt(i);
        h1 = h2 ^ Math.imul(h1 ^ k, 597399067);
        h2 = h3 ^ Math.imul(h2 ^ k, 2869860233);
        h3 = h4 ^ Math.imul(h3 ^ k, 951274213);
        h4 = h1 ^ Math.imul(h4 ^ k, 2716044179);
    }
    h1 = Math.imul(h3 ^ (h1 >>> 18), 597399067);
    h2 = Math.imul(h4 ^ (h2 >>> 22), 2869860233);
    h3 = Math.imul(h1 ^ (h3 >>> 17), 951274213);
    h4 = Math.imul(h2 ^ (h4 >>> 19), 2716044179);
    return [(h1^h2^h3^h4)>>>0, (h2^h1)>>>0, (h3^h1)>>>0, (h4^h1)>>>0];
}

调用将从字符串生成一个 128 位哈希值，该值可用于为 PRNG 设定种子。以下是使用它的方法：cyrb128

// Create cyrb128 state:
var seed = cyrb128("apples");
// Four 32-bit component hashes provide the seed for sfc32.
var rand = sfc32(seed[0], seed[1], seed[2], seed[3]);

// Only one 32-bit component hash is needed for mulberry32.
var rand = mulberry32(seed[0]);

// Obtain sequential random numbers like so:
rand();
rand();

注意：如果您想要一个稍微健壮的 128 位哈希，请考虑MurmurHash3_x86_128，它更彻底，但适用于大型数组。

或者，只需选择一些虚拟数据来填充种子，并事先将生成器推进几次（12-20次迭代）以彻底混合初始状态。这具有更简单的优点，并且经常用于PRNG的参考实现，但它确实限制了初始状态的数量：

var seed = 1337 ^ 0xDEADBEEF; // 32-bit seed with optional XOR value
// Pad seed with Phi, Pi and E.
// https://en.wikipedia.org/wiki/Nothing-up-my-sleeve_number
var rand = sfc32(0x9E3779B9, 0x243F6A88, 0xB7E15162, seed);
for (var i = 0; i < 15; i++) rand();

注意：这些PRNG函数的输出产生一个正的32位数（0到2^32-1），然后将其转换为0-1（0（包括0，1排除）之间的浮点数，等效于，如果您想要特定范围的随机数，请阅读MDN上的这篇文章。如果您只想要原始位，只需删除最终的除法操作即可。Math.random()

JavaScript 数字只能表示分辨率高达 53 位的整数。当使用按位运算时，这一数字减少到 32。其他语言的现代 PRNG 通常使用 64 位操作，这在移植到 JS 时需要填充码，这可能会大大降低性能。这里的算法仅使用32位操作，因为它与JS直接兼容。

现在，转到发电机。（我在这里维护完整的列表，其中包含参考资料和许可证信息）

sfc32 （简易快速计数器）

sfc32是PractRand随机数测试套件的一部分（当然它通过了）。sfc32 具有 128 位状态，在 JS 中非常快。

function sfc32(a, b, c, d) {
    return function() {
      a >>>= 0; b >>>= 0; c >>>= 0; d >>>= 0; 
      var t = (a + b) | 0;
      a = b ^ b >>> 9;
      b = c + (c << 3) | 0;
      c = (c << 21 | c >>> 11);
      d = d + 1 | 0;
      t = t + d | 0;
      c = c + t | 0;
      return (t >>> 0) / 4294967296;
    }
}

您可能想知道和是做什么用的。这些本质上是 32 位整数转换，用于性能优化。在JS中基本上是浮点数，但在按位操作期间，它们切换到32位整数模式。JS解释器处理此模式的速度更快，但任何乘法或加法都会导致它切换回浮点数，从而导致性能下降。| 0>>>= 0Number

桑树32

Mulberry32是一个简单的生成器，具有32位状态，但速度非常快，并且具有良好的质量随机性（作者指出它通过了gjrand测试套件的所有测试，并且具有完整的2³²周期，但我还没有验证）。

function mulberry32(a) {
    return function() {
      var t = a += 0x6D2B79F5;
      t = Math.imul(t ^ t >>> 15, t | 1);
      t ^= t + Math.imul(t ^ t >>> 7, t | 61);
      return ((t ^ t >>> 14) >>> 0) / 4294967296;
    }
}

如果你只需要一个简单但体面的PRNG并且不需要数十亿个随机数，我会推荐这个（参见生日问题）。

xoshiro128**

截至2018年5月，xoshiro128**是Vigna&Blackman的Xorshift家族的新成员（Vigna教授还负责Xorshift128 +算法，为引擎盖下的大多数实现提供支持）。它是提供128位状态的最快的生成器。Math.random

function xoshiro128ss(a, b, c, d) {
    return function() {
        var t = b << 9, r = a * 5; r = (r << 7 | r >>> 25) * 9;
        c ^= a; d ^= b;
        b ^= c; a ^= d; c ^= t;
        d = d << 11 | d >>> 21;
        return (r >>> 0) / 4294967296;
    }
}

作者声称它很好地通过了随机性测试（尽管有警告）。其他研究人员指出，它在TestU01中未能通过一些测试（特别是LinearComp和BinaryRank）。在实践中，当使用浮点数时（例如在这些实现中），它不应该引起问题，但如果依赖于原始的最低阶位，则可能会导致问题。

JSF （Jenkins' Small Fast）

这是鲍勃·詹金斯（Bob Jenkins，2007）的JSF或“smallprng”，他也制作了ISAAC和SpookyHash。它通过了PractRand测试，应该相当快，尽管没有sfc32那么快。

function jsf32(a, b, c, d) {
    return function() {
        a |= 0; b |= 0; c |= 0; d |= 0;
        var t = a - (b << 27 | b >>> 5) | 0;
        a = b ^ (c << 17 | c >>> 15);
        b = c + d | 0;
        c = d + t | 0;
        d = a + t | 0;
        return (d >>> 0) / 4294967296;
    }
}

答案 2

不，不可能播种，但是编写自己的生成器相当容易，或者更好的是，使用现有的生成器。Math.random()

看看：这个相关的问题。

另外，请参阅David Bau的博客以获取有关播种的更多信息。