Java生成随机数 Java中生成随机数的4种方式与区别介绍
Java中文社群 人气:0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.Random
Random 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); }
以上程序的执行结果为:
② 优缺点分析
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(); }
以上程序的执行结果为:
③ 线程安全问题
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)); }
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.ThreadLocalRandom
ThreadLocalRandom 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。
① 基础使用
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); }
以上程序的执行结果为:
② 实现原理
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 <= 0) throw new IllegalArgumentException(BadBound); // 根据当前线程中种子计算新种子 int r = mix32(nextSeed()); int m = bound - 1; // 根据新种子和 bound 计算随机数 if ((bound & m) == 0) // power of two r &= m; else { // reject over-represented candidates for (int u = r >>> 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; }
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(); }
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 << 8) | ((long)(seedBytes[i]) & 0xffL); return s; } // 如果没有设置启动参数,则使用当前时间有关的随机种子算法 return (mix64(System.currentTimeMillis()) ^ mix64(System.nanoTime())); }
从上述源码可以看出,当我们设置了启动参数“-Djava.util.secureRandomSeed=true”时,ThreadLocalRandom 会产生一个随机种子,一定程度上能缓解随机种子相同所带来随机数可预测的问题,然而默认情况下如果不设置此参数,那么在多线程中就可以因为启动时间相同,而导致多个线程在每一步操作中都会生成相同的随机数。
3.SecureRandom
SecureRandom 继承自 Random,该类提供加密强随机数生成器。SecureRandom 不同于 Random,它收集了一些随机事件,比如鼠标点击,键盘点击等,SecureRandom 使用这些随机事件作为种子。这意味着,种子是不可预测的,而不像 Random 默认使用系统当前时间的毫秒数作为种子,从而避免了生成相同随机数的可能性。
基础使用
// 创建 SecureRandom 对象,并设置加密算法 SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG"); 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); }
以上程序的执行结果为:
SecureRandom 默认支持两种加密算法:
- SHA1PRNG 算法,提供者 sun.security.provider.SecureRandom;
- NativePRNG 算法,提供者 sun.security.provider.NativePRNG。
当然除了上述的操作方式之外,你还可以选择使用 new SecureRandom() 来创建 SecureRandom 对象,实现代码如下:
SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
通过 new 初始化 SecureRandom,默认会使用 NativePRNG 算法来生成随机数,但是也可以配置 JVM 启动参数“-Djava.security”参数来修改生成随机数的算法,或选择使用 getInstance("算法名称") 的方式来指定生成随机数的算法。
4.Math
Math 类诞生于 JDK 1.0,它里面包含了用于执行基本数学运算的属性和方法,如初等指数、对数、平方根和三角函数,当然它里面也包含了生成随机数的静态方法 Math.random() ,此方法会产生一个 0 到 1 的 double 值,如下代码所示。
① 基础使用
for (int i = 0; i < 10; i++) { // 产生随机数 double number = Math.random(); System.out.println("生成随机数:" + number); }
以上程序的执行结果为:
② 扩展
当然如果你想用它来生成一个一定范围的 int 值也是可以的,你可以这样写:
for (int i = 0; i < 10; i++) { // 生成一个从 0-99 的整数 int number = (int) (Math.random() * 100); System.out.println("生成随机数:" + number); }
以上程序的执行结果为:
③ 实现原理
通过分析 Math 的源码我们可以得知:当第一次调用 Math.random() 方法时,自动创建了一个伪随机数生成器,**实际上用的是 **new java.util.Random(),当下一次继续调用 Math.random() 方法时,就会使用这个新的伪随机数生成器。
源码如下:
public static double random() { return RandomNumberGeneratorHolder.randomNumberGenerator.nextDouble(); } private static final class RandomNumberGeneratorHolder { static final Random randomNumberGenerator = new Random(); }
总结
本文我们介绍了 4 种生成随机数的方法,其中 Math 是对 Random 的封装,所以二者比较类似。Random 生成的是伪随机数,是以当前纳秒时间作为种子数的,并且在多线程竞争比较激烈的情况下因为要进行 CAS 操作,所以存在一定的性能问题,但对于绝大数应用场景来说,使用 Random 已经足够了。当在竞争比较激烈的场景下可以使用 ThreadLocalRandom 来替代 Random,但如果对安全性要求比较高的情况下,可以使用 SecureRandom 来生成随机数,因为 SecureRandom 会收集一些随机事件来作为随机种子,所以 SecureRandom 可以看作是生成真正随机数的一个工具类。
参考 & 鸣谢
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