如何在 Go 中生成固定长度的随机字符串？

珠海一粟

我想要一个没有数字的随机字符串(大写或小写)Go中。实施此操作最快、最简单的方法是什么？
                                                               
    解决方案:                                                               
                                                                问题要求最快最简单的方法。让我们解决最快的部分。我们将通过迭代获得最终和最快的代码。每次迭代的基准测试都可以在答案的最后找到。
0 H) `) T; p7 X4 T; L所有的解决方案和基准测试代码都可以Go Playground上找到。Playground 上面的代码是一个测试文件，而不是一个可执行的文件。您必须将其保存在名称文件中XX_test.go并运行它

go test -bench . -benchmem
4 Q( j  y& n5 V! m9 l8 R' n

前言：
5 I5 @( o  i- b如果你只需要一个随机字符串，最快的解决方案不是首选。因此，保罗的解决方案是完美的。这就是性能是否重要。尽管前两步（Bytes和Remainder）这可能是一个可以接受的折衷方案：它们确实将性能提高了50%（见II. Benchmark部分中的确切数字)，不会显著增加复杂性。
% c# Z4 c; @1 P! ^0 y9 M0 K尽管如此，即使你不需要最快的解决方案，通读这个答案也可能具有冒险精神和教育意义。
一、改进1. Genesis (Runes)我们正在改进的原始通用解决方案是：

func init()      rand.Seed(time.Now().UnixNano())}var letterRunes = []rune("abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ")func RandStringRunes(n int) string    b := make([]rune,n)    for i := range b        b = letterRunes[rand.Intn(len(letterRunes))]    }    return string(b)}
' r1 R, _, B8 P" r0 q8 C$ a

2. 字节如果要选择和组合随机字符串的字符，只包括英文字母的大写和小写字母，我们只能使用字节，因为英文字母映射到 UTF-8 编码中的字节 1 至 1(包括 Go 存储字符串的方式)。
所以不是:
& U. c) p3 P1 K% m6 s% [  L# N

var letters = []rune("abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ")

我们可以用：
1 n: C& }0 m4 D/ s$ v3 K  i, S  \

var letters = []byte("abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ")

或至更好：

const letters = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"
. u7 k8 E9 ~+ m' z. s- d; _# V

现在这已经是一个很大的改进：我们可以将它实现为 a const（有string常量但无切片常量)。作为额外的收获，表达式len(letters)也将是const! （len(s)如果s字符串常量，表达式为常量。
: Z6 K, |6 Q4 q* A, P3 {& g4 N什么代价？什么都没有。strings 可以索引，索引它的字节，完美，正是我们想要的。
下一个目的地是这样的：
4 S5 N# s6 L" K

const letterBytes = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"func RandStringBytes(n int) string    b := make([]byte,n)    for i := range b        b = letterBytes[rand.Intn(len(letterBytes))]   }    return string(b)}

3. 余数以前的解决方案通过调用rand.Intn()委托给什么？Rand.Intn()什么样的委托来指定随机字母？Rand.Int31n()。
与rand.Int与 63 个随机位的随机数相比，生成的随机数要慢得多。
因此，我们可以简单地调用它rand.Int63()并使用除以后的余数len(letterBytes)：
* V- @  [6 d8 Z3 C' R

func RandStringBytesRmndr(n int) string    b := make([]byte,n)    for i := range b        b = letterBytes[rand.Int63() % int64(len(letterBytes))]   }    return string(b)}

缺点是所有字母的概率点是所有字母的概率不会完全相同(假设rand.Int63()产生所有 63 位数的概率相等)。虽然字母的数量远小于1
假设你想要一个范围为 的随机数0，以使它更容易理解：..5。使用 3 个随机位，这将产生0..1比范围 2 倍概率数字2..5.数字范围为0，使用5个随机比特..6/32概率和数字范围的2..5和5/32的概率现在更接近预期。当达到 63 位时，增加位数会使这一点变得不那么重要。
4.  Masking在以前的解决方案的基础上，我们可以使用与字母数量相同的最低数量来保持字母的均匀分布。因此，例如，如果我们有52个，它需要6个来表示它：52 = 110100b。因此，我们只使用 返回数字的最低 6 位rand.Int63()。为了保持字母的平均分布，我们只接受范围内的数字0..len(letterBytes)-1.如果最低水平较大，我们将丢弃它并查询新的随机数。
请注意，最低机会大于或等于len(letterBytes)通常小于0.5（0.25平均)，这意味着即使在这种情况下，重复这种罕见的情况也会减少找不到好机会的数字。n重复后，我们仍然没有好的索引机会远远小于pow(0.5,n)，这只是一个上面的估计。在 52 字母的情况下，只有 6 最低不好的机会(64-52)/64 = 0.19；这意味着例如， 10 重复后没有好数字的机会是1e-8.
所以这里是解决方案：

6 w) x/ Z4 b! |" k7 W6 v6 o( Z
• const letterBytes = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"const  letterIdxBits =                   bits to represent a letter index    letterIdxMask = 15. Masking改进前面的解决方案只使用 返回的 63 个随机位中最低 6 位rand.Int63()。这是一种浪费，因为获取随机位是我们算法中最慢的部分。
  * f8 t4 m  v" U8 O; M
• 如果我们有 52 字母，这意味着 6 编码一个字母索引。因此， 63 随机位可指定63/6 = 10不同的字母索引。让我们使用所有这些 10 ：[code]const letterBytes = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"const  letterIdxBits =                   bits to represent a letter index    letterIdxMask = 1= if remain ==             cache,remain = rand.Int63(),letterIdxMax          if idx := int(cache & letterIdxMask); idx >= letterIdxBits        remain--   }    return string(b)}
  

6. 来源该改进的屏蔽挺好的，改进不了多少。我们可以，但不值得复杂。
现在让我们找到其他需要改进的地方。随机来源。
" }3 X( t% _* C2 F有一个crypto/rand提供一个包Read(b [\]byte)函数，所以我们可以用它来获得尽可能多的字节。这对性能没有帮助，因为crypto/rand实现加密安全伪随机数生成器，因此速度要慢得多。
8 ?5 |) \. j. U0 p所以让我们坚持下去math/rand包装。在rand.Rand使用rand.Source作为随机比特的来源。rand.Source它指定了一个接口Int63() int64方法：这是我们在最新解决方案中需要和使用的唯一东西。
所以我们真的不需要一个rand.Rand(显式或全局，共享rand包），arand.Source对我们来说已经足够了：
" [5 a7 {. J5 r. z1 [

var src = rand.NewSource(time.Now().UnixNano())func RandStringBytesMaskImprSrc(n int) string    b := make([]byte,n)    // A src.Int63() generates 63 random bits,enough for letterIdxMax characters!    for i,cache,remain := n-1,src.Int63(),letterIdxMax; i >= 0;        if remain == 0            cache,remain = src.Int63(),letterIdxMax          if idx := int(cache & letterIdxMask); idx >= letterIdxBits        remain--   }    return string(b)}
; ]- I  g- Z* \% r% L0 H% W

还需要注意的是，这个最终的解决方案并不要求你在全球初始化(种子)Rand的的math/rand包里没用(和我们一起)rand.Source正确的初始化/种子)。
这里还要注意一件事：math/rand状态包文件：
默认的 Source 可安全地被多个  goroutines 并发使用。
1 f3 [  V1 ?. p5 B因此，默认源比Source可能获得的a 慢rand.NewSource()因为默认源必须在并发访问/使用下提供安全，rand.NewSource()而不提供(因此Source返回更有可能更快)。
( K  V% q$ K: s4 P/ Q7.利用 strings.Builder所有以前的解决方案都返回 a ，string其内容首先构建在切片中([]rune在Genesis和[]byte在后续的解决方案中)string. 最终的转换必须复制切片的内容，因为string值是不可变的。如果转换不能复制，则不能保证字符串的内容不会通过其原始切片进行修改。详情请参阅[如何使用 utf8 字符串转换为 ]byte？和[golang: ]byte(string) vs []byte(*string)。
Go 1.10 引入strings.Builder。strings.Builder我们可以用它来构建一种新型号string类似于bytes.Buffer. 在内部使用 a[]byte构建内容，当我们完成时，我们可以string使用它的Builder.String()获得最终值的方法。但很酷的是，它可以完成这个操作，而无需执行我们刚才提到的复制。它之所以敢这样做，是因为用来构建字符串内容的字节片没有暴露，所以确保没有人能无意或恶意地修改它来改变产生的不可变字符串。
, L* ]1 ?0 E' ?8 @- X) c所以我们的下一个想法不是在切片中构建随机字符串，而是在 a 的帮助下strings.Builder，因此，一旦我们完成，我们就可以在不复制的情况下获得并返回结果。这可能有助于速度，肯定有助于内存的使用和分配。

func RandStringBytesMaskImprSrcSB(n int) string    sb := strings.Builder{}    sb.Grow(n)    // A src.Int63() generates 63 random bits,enough for letterIdxMax characters!    for i,cache,remain := n-1,src.Int63(),letterIdxMax; i >= 0;        if remain == 0            cache,remain = src.Int63(),letterIdxMax          if idx := int(cache & letterIdxMask); idx >= letterIdxBits        remain--   }    return sb.String()}

请注意，注意new 之后strings.Buidler，我们调用了它的Builder.Grow()确保它分配足够大的内部切片(以避免在添加随机字母时重新分配)。
. Z' m2 X: \' a8.strings.Builder用包模仿unsafestrings.Builder在内部构建字符串，[]byte就像我们自己做的。所以基本上是通过 a 来做strings.Builder有一些开销，我们切换到的唯一一件事strings.Builder避免最终复制切片。
strings.Builder通过使用 package 避免最终副本unsafe：
) O3 `5 u3 l1 F6 g4 G$ \. c

// String returns the accumulated string.func (b *Builder) String() string    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b.buf))}
5 [+ _9 w- N5 D, Y9 z2 N

问题是我们也可以自己做。所以这里的想法是切换回 a 构建随机字符串[]byte，但是，当我们完成它时，不要转换它string为 return，相反，进行不安全转换：获取string 指向我们的字节切片作为字符串数据a .
这是怎么做到的：
, v6 M9 {  u6 y

func RandStringBytesMaskImprSrcUnsafe(n int) string    b := make([]byte,n)    // A src.Int63() generates 63 random bits,enough for letterIdxMax characters!    for i,cache,remain := n-1,src.Int63(),letterIdxMax; i >= 0;        if remain == 0            cache,remain = src.Int63(),letterIdxMax          if idx := int(cache & letterIdxMask); idx >= letterIdxBits        remain--   }    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))}
0 i+ I7 I' m- o% i8 f, o

(9. 使用rand.Read())Go 1.7 加了一个rand.Read()函数和一个Rand.Read()方法。为了实现更好的性能，我们应该尝试使用这些来阅读我们需要尽可能多的字节。
5 H7 J1 q( F  y4 k( A% q" A  e有一个小问题：我们需要多少字节？我们可以说，字母的输出量与输出字母的数量相同。我们会认为这是一个上限估计，因为字母索引的使用量小于 8 （1 字节）。但在这一点上，我们做得更糟（因为获得随机位置是困难的部分），我们得到的超出了需求。
此外，请注意，为了保持所有字母索引的均匀分布，可能会有一些我们不能使用的垃圾随机数据，所以我们最终会跳过一些数据，所以当我们通过所有数据时，我们最终会有一个短字节切片。我们需要进一步交付才能获得更多的随机字节。现在我们甚至失去了单呼叫rand包装的优点......
! h! ^+ x' I, z) b我们可以稍微优化我们获得的随机数据的使用math.Rand()。我们可以估计需要多少字节(位)。1 字母需要letterIdxBits我们需要位置n所以我们需要字母n * letterIdxBits / 8.0字节四舍五入。我们可以计算随机索引不可用的概率（见上述），因此我们可以要求更多的更有可能（如果没有，我们将重复此过程）。例如，我们可以将字节切片视为位流，因此我们有一个很好的 3rd 方库：（github.com/icza/bitio披露:我是作者)。
* H) T' ]# O5 w, i但基准代码仍然表明我们没有获胜。为什么？
最后一个问题的答案是因为rand.Read()使用循环并不断调用，Source.Int63()直到它填满传递的切片。RandStringBytesMaskImprSrc()解决方案所做的，没有中间缓冲区没有增加复杂性。这就是为什么RandStringBytesMaskImprSrc()留在宝座上。RandStringBytesMaskImprSrc()使用不同步的rand.Source不同rand.Read()Rand.Read()而不是证明这一点rand.Read()(前者也不同步)。
: w2 Y& I* A4 m$ d! p' o二、基准是时候基准测试不同的解决方案了。
关键时刻：

BenchmarkRunes-                 ns/op   96 B/op   2 allocs/opBenchmarkBytes-                        5500             ns/op   32 B/op   2 allocs/opBenchmarkBytesRmndr-                   3万0000000000000000000000000300000000000000000000000000000000000000000000000000000ns/op   32 B/op   2 allocs/opBenchmarkBytesMask-                   3万00000000000000000000000000000000000030000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ns/op   32 B/op   2 allocs/opBenchmarkBytesMaskImpr-           ns/op   32 B/op   2 allocs/opBenchmarkBytesMaskImprSrc-       ns/op   32 B/op   2 allocs/opBenchmarkBytesMaskImprSrcSB-         1000000000000000000000000ns/op   16 B/op   1 allocs/opBenchmarkBytesMaskImprSrcUnsafe- 115 ns/op   16 B/op   1 allocs/op
5 e- V3 }5 B& [1 \4 a2 ~$ d

我们立即从符文切换到字节24% 的性能提高，内存需求下降到三分之一。
摆脱rand.Intn()并使用rand.Int63()它会带来另一个20% 的提升。
掩码(并在大索引的情况下重复)稍慢(因重复调用):- 22%    …
. ^1 h3 q/ O' w) ^$ d2 F然而，当我们使用全部(或大部分)63个随机位(来自一次)时rand.Int63()调用10 索引时：这将大大加快时间：3 倍。
( o  a: {7 m& ~假如我们使用(非默认，新的)rand.Source代替rand.Rand，我们再次获得21%。
  h( j4 I/ Q6 O* \7 o1 q9 k" R如果我们使用strings.Builder，我们得到了一个小的3.5％的速度，但是我们也得到了50％减少内存的使用和分配！那很好！
最后，如果我们敢用 packageunsafe而不是strings.Builder，我们又得到了好的东西14%。
最后对初始解进行比较：RandStringBytesMaskImprSrcUnsafe()是快6.3倍比RandStringRunes()，使用六分之一存储器和尽量少分配半。任务完成。