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C# Random類的正確應(yīng)用方法

更新時(shí)間：2020年11月26日 10:23:13 作者：gt1987

這篇文章主要介紹了C# Random類的正確應(yīng)用方法，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

Random類介紹

Random類一個(gè)用于產(chǎn)生 偽隨機(jī) 數(shù)字的類。這里的偽隨機(jī)表示有隨機(jī)性但是可以基于算法模擬出隨機(jī)規(guī)律。

Random類的構(gòu)造方式有兩種。

Random r= new Random()。會(huì)以當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間作為默認(rèn)種子構(gòu)建一個(gè)隨機(jī)序列
Random r = new Random(unchecked((int)DateTime.Now.Ticks));。自定義一個(gè)種子，通常會(huì)使用時(shí)間Ticks。

隨機(jī)性保證

由于Random的 偽隨機(jī) 性，所以如果多個(gè)Random隨機(jī)序列生成的時(shí)間間隔很短（官方說法15ms內(nèi)），那么他們產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)會(huì)大概率相同。如下列代碼

 /// <summary>
  /// 錯(cuò)誤的Random構(gòu)建。
  /// </summary>
  public static void Bad_Random()
  {
    //正確做法應(yīng)當(dāng)將 Random構(gòu)建防止循環(huán)外。
    //Random創(chuàng)建間隔時(shí)間極短的情況下，隨機(jī)算法序列會(huì)基本一致，倒是隨機(jī)性也是一致的
    //var r = new Random();
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
      var r = new Random();
      var val = r.Next(1, 100);
      Console.WriteLine(val);
    }
  }

運(yùn)行結(jié)果：

所以在生產(chǎn)中通常可以考慮將Random單例化，以保證其隨機(jī)算法的序列獨(dú)一性。這也是官方推薦的方式。

Instead of instantiating individual Random objects, we recommend that you create a single Random instance to generate all the random numbers needed by your app.

這個(gè)問題在.net core下官方組件已對(duì)Random的構(gòu)建作優(yōu)化，所以上面的案例代碼如果放在.net core項(xiàng)目下運(yùn)行，你會(huì)發(fā)現(xiàn)可以正確的生成隨機(jī)數(shù)。有興趣的小伙伴可以自己嘗試一下。不過為了代碼的延續(xù)性，還是建議Random作為單例模式設(shè)計(jì)。

那么將Random設(shè)計(jì)為單例是否就解決了隨機(jī)性的問題了呢，這時(shí)候就涉及到另外一個(gè)問題，Random不是線程安全的。如下列代碼

  /// <summary>
  /// 生成一個(gè)10位隨機(jī)數(shù)
  /// 設(shè)定了一定的復(fù)雜性，保證單線程下隨機(jī)數(shù)不重復(fù)
  /// </summary>
  /// <param name="random">Random.</param>
  /// <returns>隨機(jī)數(shù).</returns>
  private static string GenerateRandomStr(Random random)
  {
    string source = "ABCDEFGHIKLMNOPQRTUVWXYZabcdefghiklmnopqrtuvwxyz";
    int length = 10;
    var list = Enumerable.Repeat(source, length)
       .Select(s => s[random.Next(s.Length)]).ToArray();
    return new string(list);
  }
  /// <summary>
  /// 單線程基本可以保證唯一性
  /// </summary>
  public static void Good_Random_In_SingleThread()
  {
    //正確做法應(yīng)當(dāng)將 Random構(gòu)建防止循環(huán)外。
    //Random創(chuàng)建間隔時(shí)間極短的情況下，隨機(jī)算法序列會(huì)基本一致，倒是隨機(jī)性也是一致的
    var r = new Random();
    ConcurrentBag<string> list = new ConcurrentBag<string>();
    for (int i = 0; i < 20000; i++)
    {
      var val = GenerateRandomStr(r);
      list.Add(val);
    }

    Console.WriteLine($"單線程下重復(fù)數(shù)據(jù)有：{20000 - list.Distinct().Count()}");
  }

  /// <summary>
  /// 多線程下的Random構(gòu)建。
  /// Bad案例，Random非線程安全
  /// 多線程高并發(fā)情況下，會(huì)出現(xiàn)概率重復(fù)
  /// </summary>
  public static void Bad_Random_In_MultThreads()
  {
    var r = new Random(unchecked((int)DateTime.Now.Ticks));
    ConcurrentBag<string> list = new ConcurrentBag<string>();

    var t1 = Task.Run(() =>
    {
      for (int i = 0; i < 10000; i++)
      {
        var val = GenerateRandomStr(r);
        list.Add(val);
      }
    });

    var t2 = Task.Run(() =>
    {
      for (int i = 0; i < 10000; i++)
      {
        var val = GenerateRandomStr(r);
        list.Add(val);
      }
    });

    Task.WaitAll(t1, t2);

    Console.WriteLine($"線程1和線程2的重復(fù)數(shù)據(jù)有：{20000 - list.Distinct().Count()}");
  }

運(yùn)行結(jié)果：

這種重復(fù)率在生產(chǎn)環(huán)境上是不可接受的。那么產(chǎn)生的原因是什么呢？根源還是在 偽隨機(jī) 和 線程不安全 上。我們可以想象下，一個(gè)Random實(shí)例中基于隨機(jī)算法產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)數(shù)序列，在單線程下pop出一個(gè)隨機(jī)數(shù)，然后指向下一個(gè)隨機(jī)數(shù)。而在高并發(fā)的多線程情況下，指向下一個(gè)隨機(jī)數(shù)的動(dòng)作還未完成時(shí)，另一個(gè)線程又來請(qǐng)求pop,這樣相同的隨機(jī)數(shù)被重復(fù)pop了。

網(wǎng)上有很多多線程下Random的解決方案，我查閱了一些感覺都不是很好。以下是我的解決方案。用到了 ThreadLocal 。這個(gè)類詳細(xì)的作用大家可以自己去查閱，這里大家只需要知道這個(gè)類可以保證它包含的對(duì)象只能線程內(nèi)獨(dú)享。簡(jiǎn)單說，同一類型對(duì)象每個(gè)線程都獨(dú)有一個(gè)Random實(shí)例互不影響。

 //利用ThreadLocal 實(shí)現(xiàn)每個(gè)線程下Random獨(dú)有
  //再通過seed原子性變更，保證每個(gè)Random的seed不同而生成的隨機(jī)數(shù)列也不同
  private static int seed = 100;
  private static ThreadLocal<Random> threadLocal = new ThreadLocal<Random>(() => new Random(Interlocked.Increment(ref seed)));

  /// <summary>
  /// 多線程下的Random構(gòu)建。
  /// </summary>
  public static void Good_Random_In_MultThreads()
  {
    ConcurrentBag<string> list = new ConcurrentBag<string>();

    var t1 = Task.Run(() =>
    {
      for (int i = 0; i < 10000; i++)
      {
        var val = GenerateRandomStr(threadLocal.Value);
        list.Add(val);
      }
    });

    var t2 = Task.Run(() =>
    {
      for (int i = 0; i < 10000; i++)
      {
        var val = GenerateRandomStr(threadLocal.Value);
        list.Add(val);
      }
    });

    Task.WaitAll(t1, t2);

    Console.WriteLine($"[ThreadLocal模式]線程1和線程2的重復(fù)數(shù)據(jù)有：{20000 - list.Distinct().Count()}");
  }

運(yùn)行結(jié)果：