Java中生成随机数的4种方式！ |
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Java中生成随机数的4种方式！
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在 Java 中，生成随机数的场景有很多，所以本文我们就来盘点一下 4 种生成随机数的方式，以及它们之间的区别和每种生成方式所对应的场景。 1.RandomRandom 类诞生于 JDK 1.0，它产生的随机数是伪随机数，也就是有规则的随机数。Random 使用的随机算法为 linear congruential pseudorandom number generator (LGC) 线性同余法伪随机数。在随机数生成时，随机算法的起源数字称为种子数（seed），在种子数的基础上进行一定的变换，从而产生需要的随机数字。 Random 对象在种子数相同的情况下，相同次数生成的随机数是相同的。比如两个种子数相同的 Random 对象，第一次生成的随机数字完全相同，第二次生成的随机数字也完全相同。默认情况下 new Random() 使用的是当前纳秒时间作为种子数的。 ① 基础使用使用 Random 生成一个从 0 到 10 的随机数（不包含 10），实现代码如下： // 生成 Random 对象 Random random = new Random(); for (int i = 0; i < 10; i++) { // 生成 0-9 随机整数 int number = random.nextInt(10); System.out.println("生成随机数：" + number); } 复制代码以上程序的执行结果为： Random 使用 LGC 算法生成伪随机数的优点是执行效率比较高，生成的速度比较快。 它的缺点是如果 Random 的随机种子一样的话，每次生成的随机数都是可预测的（都是一样的）。如下代码所示，当我们给两个线程设置相同的种子数的时候，会发现每次产生的随机数也是相同的： // 创建两个线程 for (int i = 0; i < 2; i++) { new Thread(() -> { // 创建 Random 对象，设置相同的种子 Random random = new Random(1024); // 生成 3 次随机数 for (int j = 0; j < 3; j++) { // 生成随机数 int number = random.nextInt(); // 打印生成的随机数 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + number); // 休眠 200 ms try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("---------------------"); } }).start(); } 复制代码以上程序的执行结果为：
当我们要使用一个类时，我们首先关心的第一个问题是：它是否为线程安全？对于 Random 来说，Random 是线程安全的。 PS：线程安全指的是在多线程的场景下，程序的执行结果和预期的结果一致，就叫线程安全的，否则则为非线程安全的（也叫线程安全问题）。比如有两个线程，第一个线程执行 10 万次 ++ 操作，第二个线程执行 10 万次 -- 操作，那么最终的结果应该是没加也没减，如果程序最终的结果和预期不符，则为非线程安全的。 我们来看 Random 的实现源码： public Random() { this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime()); } public int nextInt() { return next(32); } protected int next(int bits) { long oldseed, nextseed; AtomicLong seed = this.seed; do { oldseed = seed.get(); nextseed = (oldseed * multiplier + addend) & mask; } while (!seed.compareAndSet(oldseed, nextseed)); // CAS（Compare and Swap）生成随机数 return (int)(nextseed >>> (48 - bits)); } 复制代码PS：本文所有源码来自于 JDK 1.8.0_211。 从以上源码可以看出，Random 底层使用的是 CAS（Compare and Swap，比较并替换）来解决线程安全问题的，因此对于绝大数随机数生成的场景，使用 Random 不乏为一种很好的选择。 PS：Java 并发机制实现原子操作有两种：一种是锁，一种是 CAS。 CAS 是 Compare And Swap（比较并替换）的缩写，java.util.concurrent.atomic 中的很多类，如（AtomicInteger AtomicBoolean AtomicLong等）都使用了 CAS 机制来实现。 2.ThreadLocalRandomThreadLocalRandom 是 JDK 1.7 新提供的类，它属于 JUC（java.util.concurrent）下的一员，为什么有了 Random 之后还会再创建一个 ThreadLocalRandom？ 原因很简单，通过上面 Random 的源码我们可以看出，Random 在生成随机数时使用的 CAS 来解决线程安全问题的，然而** CAS 在线程竞争比较激烈的场景中效率是非常低的**，原因是 CAS 对比时老有其他的线程在修改原来的值，所以导致 CAS 对比失败，所以它要一直循环来尝试进行 CAS 操作。所以在多线程竞争比较激烈的场景可以使用 ThreadLocalRandom 来解决 Random 执行效率比较低的问题。 当我们第一眼看到 ThreadLocalRandom 的时候，一定会联想到一次类 ThreadLocal，确实如此。ThreadLocalRandom 的实现原理与 ThreadLocal 类似，它相当于给每个线程一个自己的本地种子，从而就可以避免因多个线程竞争一个种子，而带来的额外性能开销了。
接下来我们使用 ThreadLocalRandom 来生成一个 0 到 10 的随机数（不包含 10），实现代码如下： // 得到 ThreadLocalRandom 对象 ThreadLocalRandom random = ThreadLocalRandom.current(); for (int i = 0; i < 10; i++) { // 生成 0-9 随机整数 int number = random.nextInt(10); // 打印结果 System.out.println("生成随机数：" + number); } 复制代码以上程序的执行结果为： ThreadLocalRandom 的实现原理和 ThreadLocal 类似，它是让每个线程持有自己的本地种子，该种子在生成随机数时候才会被初始化，实现源码如下： public int nextInt(int bound) { // 参数效验 if (bound >> 1; u + m - (r = u % bound) < 0; u = mix32(nextSeed()) >>> 1) ; } return r; } final long nextSeed() { Thread t; long r; // read and update per-thread seed // 获取当前线程中 threadLocalRandomSeed 变量，然后在种子的基础上累加 GAMMA 值作为新种子 // 再使用 UNSAFE.putLong 将新种子存放到当前线程的 threadLocalRandomSeed 变量中 UNSAFE.putLong(t = Thread.currentThread(), SEED, r = UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA); return r; } 复制代码 ③ 优缺点分析ThreadLocalRandom 结合了 Random 和 ThreadLocal 类，并被隔离在当前线程中。因此它通过避免竞争操作种子数，从而在多线程运行的环境中实现了更好的性能，而且也保证了它的线程安全。 另外，不同于 Random， ThreadLocalRandom 明确不支持设置随机种子。它重写了 Random 的 setSeed(long seed) 方法并直接抛出了 UnsupportedOperationException 异常，因此降低了多个线程出现随机数重复的可能性。 源码如下： public void setSeed(long seed) { // only allow call from super() constructor if (initialized) throw new UnsupportedOperationException(); } 复制代码只要程序中调用了 setSeed() 方法就会抛出 UnsupportedOperationException 异常，如下图所示： ThreadLocalRandom 缺点分析 虽然 ThreadLocalRandom 不支持手动设置随机种子的方法，但并不代表 ThreadLocalRandom 就是完美的，当我们查看 ThreadLocalRandom 初始化随机种子的方法 initialSeed() 源码时发现，默认情况下它的随机种子也是以当前时间有关，源码如下： private static long initialSeed() { // 尝试获取 JVM 的启动参数 String sec = VM.getSavedProperty("java.util.secureRandomSeed"); // 如果启动参数设置的值为 true，则参数一个随机 8 位的种子 if (Boolean.parseBoolean(sec)) { byte[] seedBytes = java.security.SecureRandom.getSeed(8); long s = (long)(seedBytes[0]) & 0xffL; for (int i = 1; i < 8; ++i) s = (s |
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