CentOS7 Tomcat 啟動過程很慢,JVM上的随機數與熵池政策

1. CentOS7 Tomcat 啟動過程很慢

在centos啟動官方的tomcat時，啟動過程很慢，需要幾分鐘，經過檢視日志，發現耗時在這裡：是session引起的随機數問題導緻的：

14-Jul-2016 04:14:22.900 INFO [localhost-startStop-1] org.apache.catalina.util.SessionIdGenerator.createSecureRandom Creation of SecureRa
ndom instance for session ID generation using [SHA1PRNG] took [142,673] milliseconds.
           

2. JVM上的随機數與熵池政策

在apache-tomcat官方文檔：如何讓tomcat啟動更快裡面提到了一些啟動時的優化項，其中一項是關于随機數生成時，采用的“熵源”(entropy source)的政策。

他提到tomcat7的session id的生成主要通過java.security.SecureRandom生成随機數來實作，随機數算法使用的是”SHA1PRNG”

private String secureRandomAlgorithm = "SHA1PRNG";
           

在sun/oracle的jdk裡，這個算法的提供者在底層依賴到作業系統提供的随機資料，在linux上，與之相關的是/dev/random和/dev/urandom，對于這兩個裝置塊的描述以前也見過讨論随機數的文章，wiki中有比較詳細的描述，摘抄過來，先看/dev/random ：

在讀取時，/dev/random裝置會傳回小于熵池噪聲總數的随機位元組。/dev/random可生成高随機性的公鑰或一次性密碼本。若熵池空了，對/dev/random的讀操作将會被阻塞，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”，非阻塞的随機數發生器），它會重複使用熵池中的資料以産生僞随機資料。這表示對/dev/urandom的讀取操作不會産生阻塞，但其輸出的熵可能小于/dev/random的。它可以作為生成較低強度密碼的僞随機數生成器，不建議用于生成高強度長期密碼。

另外wiki裡也提到了為什麼linux核心裡的随機數生成器采用SHA1雜湊演算法而非加密算法，是為了避開法律風險(密碼出口限制)。

回到tomcat文檔裡的建議，采用非阻塞的熵源(entropy source)，通過java系統屬性來設定：

-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom
           

catalina.sh

if [[ "$JAVA_OPTS" != *-Djava.security.egd=* ]]; then
    JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom"
fi
           

這個系統屬性egd表示熵收集守護程序(entropy gathering daemon)，但這裡值為何要在dev和random之間加一個點呢？是因為一個jdk的bug，在這個bug的連接配接裡有人回報及時對 securerandom.source 設定為 /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設定為 /dev/./urandom 才行。也有人評論說這個不是bug，是有意為之。

我看了一下我目前所用的jdk7的java.security檔案裡，配置裡仍使用的是/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

我不确定jdk7裡，這個 /dev/urandom 也同那個bug報告裡所說的等同于 /dev/random；要使用非阻塞的熵池，這裡還是要修改為/dev/./urandom 呢，還是jdk7已經修複了這個問題，就是同注釋裡的意思，隻好驗證一下。

使用bug報告裡給出的代碼：

import java.security.SecureRandom;
class JRand {
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        System.out.println("Ok: " +
            SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG").nextLong());
    }
}
           

然後設定不同的系統屬性來驗證，先是在我的mac上：

% time java -Djava.security.egd=file:/dev/urandom  JRand
Ok: 
java -Djava.security.egd=file:/dev/urandom JRand  
s user 
s system 
% cpu 
 total

% time java -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom  JRand
Ok: -
java -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom JRand  
s user 
s system 
% cpu 
 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裡說的：

FreeBSD作業系統實作了256位的Yarrow算法變體，以提供僞随機數流。與Linux的/dev/random不同，FreeBSD的/dev/random不會産生阻塞，與Linux的/dev/urandom相似，提供了密碼學安全的僞随機數發生器，而不是基于熵池。而FreeBSD的/dev/urandom則隻是簡單的連結到了/dev/random。

盡管在我的mac上/dev/urandom并不是/dev/random的連結，但mac與bsd核心應該是相近的，/dev/random也是非阻塞的，/dev/urandom是用來相容linux系統的，這兩個随機數生成器的行為是一緻的。參考這裡。

然後再到一台ubuntu系統上測試：

% 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

這回差異就完全展現出來了，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，導緻熵池被用空，被阻塞了60秒左右。應用伺服器端要避免這種方式。

本條目釋出于2014-06-25。屬于java、programming分類，被貼了 freebsd、java、linux、mac、os、random、tomcat 标簽。

原文： http://hongjiang.info/jvm-random-and-entropy-source/