在 Java 中，生成隨機(jī)數(shù)的場景有很多，所以本文我們就來盤點一下 4 種生成隨機(jī)數(shù)的方式，以及它們之間的區(qū)別和每種生成方式所對應(yīng)的場景。

1.Random

Random 類誕生于 JDK 1.0，它產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)是偽隨機(jī)數(shù)，也就是有規(guī)則的隨機(jī)數(shù)。Random 使用的隨機(jī)算法為 linear congruential pseudorandom number generator (LGC) 線性同余法偽隨機(jī)數(shù)。在隨機(jī)數(shù)生成時，隨機(jī)算法的起源數(shù)字稱為種子數(shù)（seed），在種子數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的變換，從而產(chǎn)生需要的隨機(jī)數(shù)字。

Random 對象在種子數(shù)相同的情況下，相同次數(shù)生成的隨機(jī)數(shù)是相同的。比如兩個種子數(shù)相同的 Random 對象，第一次生成的隨機(jī)數(shù)字完全相同，第二次生成的隨機(jī)數(shù)字也完全相同。默認(rèn)情況下 new Random() 使用的是當(dāng)前納秒時間作為種子數(shù)的。

① 基礎(chǔ)使用

使用 Random 生成一個從 0 到 10 的隨機(jī)數(shù)（不包含 10），實現(xiàn)代碼如下：

// 生成 Random 對象
Random random = new Random();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 生成 0-9 隨機(jī)整數(shù)
    int number = random.nextInt(10);
    System.out.println("生成隨機(jī)數(shù)：" + number);
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

② 優(yōu)缺點分析

Random 使用 LGC 算法生成偽隨機(jī)數(shù)的優(yōu)點是執(zhí)行效率比較高，生成的速度比較快。

它的缺點是如果 Random 的隨機(jī)種子一樣的話，每次生成的隨機(jī)數(shù)都是可預(yù)測的（都是一樣的）。如下代碼所示，當(dāng)我們給兩個線程設(shè)置相同的種子數(shù)的時候，會發(fā)現(xiàn)每次產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)也是相同的：

 // 創(chuàng)建兩個線程
for (int i = 0; i < 2; i++) {
    new Thread(() -> {
        // 創(chuàng)建 Random 對象，設(shè)置相同的種子
        Random random = new Random(1024);
        // 生成 3 次隨機(jī)數(shù)
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            // 生成隨機(jī)數(shù)
            int number = random.nextInt();
            // 打印生成的隨機(jī)數(shù)
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" +
                               number);
            // 休眠 200 ms
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("---------------------");
        }
    }).start();
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

③ 線程安全問題

當(dāng)我們要使用一個類時，我們首先關(guān)心的第一個問題是：它是否為線程安全？對于 Random 來說，Random 是線程安全的。

PS：線程安全指的是在多線程的場景下，程序的執(zhí)行結(jié)果和預(yù)期的結(jié)果一致，就叫線程安全的，否則則為非線程安全的（也叫線程安全問題）。比如有兩個線程，第一個線程執(zhí)行 10 萬次 ++ 操作，第二個線程執(zhí)行 10 萬次 -- 操作，那么最終的結(jié)果應(yīng)該是沒加也沒減，如果程序最終的結(jié)果和預(yù)期不符，則為非線程安全的。

我們來看 Random 的實現(xiàn)源碼：

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）生成隨機(jī)數(shù)
    return (int)(nextseed >>> (48 - bits));
}

PS：本文所有源碼來自于 JDK 1.8.0_211。

從以上源碼可以看出，Random 底層使用的是 CAS（Compare and Swap，比較并替換）來解決線程安全問題的，因此對于絕大數(shù)隨機(jī)數(shù)生成的場景，使用 Random 不乏為一種很好的選擇。

PS：Java 并發(fā)機(jī)制實現(xiàn)原子操作有兩種：一種是鎖，一種是 CAS。

CAS 是 Compare And Swap（比較并替換）的縮寫，java.util.concurrent.atomic 中的很多類，如（AtomicInteger AtomicBoolean AtomicLong等）都使用了 CAS 機(jī)制來實現(xiàn)。

2.ThreadLocalRandom

ThreadLocalRandom 是 JDK 1.7 新提供的類，它屬于 JUC（java.util.concurrent）下的一員，為什么有了 Random 之后還會再創(chuàng)建一個 ThreadLocalRandom？

原因很簡單，通過上面 Random 的源碼我們可以看出，Random 在生成隨機(jī)數(shù)時使用的 CAS 來解決線程安全問題的，然而** CAS 在線程競爭比較激烈的場景中效率是非常低的**，原因是 CAS 對比時老有其他的線程在修改原來的值，所以導(dǎo)致 CAS 對比失敗，所以它要一直循環(huán)來嘗試進(jìn)行 CAS 操作。所以在多線程競爭比較激烈的場景可以使用 ThreadLocalRandom 來解決 Random 執(zhí)行效率比較低的問題。

當(dāng)我們第一眼看到 ThreadLocalRandom 的時候，一定會聯(lián)想到一次類 ThreadLocal，確實如此。ThreadLocalRandom 的實現(xiàn)原理與 ThreadLocal 類似，它相當(dāng)于給每個線程一個自己的本地種子，從而就可以避免因多個線程競爭一個種子，而帶來的額外性能開銷了。

① 基礎(chǔ)使用

接下來我們使用 ThreadLocalRandom 來生成一個 0 到 10 的隨機(jī)數(shù)（不包含 10），實現(xiàn)代碼如下：

// 得到 ThreadLocalRandom 對象
ThreadLocalRandom random = ThreadLocalRandom.current();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 生成 0-9 隨機(jī)整數(shù)
    int number = random.nextInt(10);
    // 打印結(jié)果
    System.out.println("生成隨機(jī)數(shù)：" + number);
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

② 實現(xiàn)原理

ThreadLocalRandom 的實現(xiàn)原理和 ThreadLocal 類似，它是讓每個線程持有自己的本地種子，該種子在生成隨機(jī)數(shù)時候才會被初始化，實現(xiàn)源碼如下：

public int nextInt(int bound) {
    // 參數(shù)效驗
    if (bound <= 0)
        throw new IllegalArgumentException(BadBound);
    // 根據(jù)當(dāng)前線程中種子計算新種子
    int r = mix32(nextSeed());
    int m = bound - 1;
    // 根據(jù)新種子和 bound 計算隨機(jī)數(shù)
    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
    // 獲取當(dāng)前線程中 threadLocalRandomSeed 變量，然后在種子的基礎(chǔ)上累加 GAMMA 值作為新種子
    // 再使用 UNSAFE.putLong 將新種子存放到當(dāng)前線程的 threadLocalRandomSeed 變量中
    UNSAFE.putLong(t = Thread.currentThread(), SEED,
                   r = UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA); 
    return r;
}

③ 優(yōu)缺點分析

ThreadLocalRandom 結(jié)合了 Random 和 ThreadLocal 類，并被隔離在當(dāng)前線程中。因此它通過避免競爭操作種子數(shù)，從而在多線程運(yùn)行的環(huán)境中實現(xiàn)了更好的性能，而且也保證了它的線程安全。

另外，不同于 Random， ThreadLocalRandom 明確不支持設(shè)置隨機(jī)種子。它重寫了 Random 的
setSeed(long seed) 方法并直接拋出了 UnsupportedOperationException 異常，因此降低了多個線程出現(xiàn)隨機(jī)數(shù)重復(fù)的可能性。

源碼如下：

public void setSeed(long seed) {
    // only allow call from super() constructor
    if (initialized)
        throw new UnsupportedOperationException();
}

只要程序中調(diào)用了 setSeed() 方法就會拋出 UnsupportedOperationException 異常，如下圖所示：

ThreadLocalRandom 缺點分析

雖然 ThreadLocalRandom 不支持手動設(shè)置隨機(jī)種子的方法，但并不代表 ThreadLocalRandom 就是完美的，當(dāng)我們查看 ThreadLocalRandom 初始化隨機(jī)種子的方法 initialSeed() 源碼時發(fā)現(xiàn)，默認(rèn)情況下它的隨機(jī)種子也是以當(dāng)前時間有關(guān)，源碼如下：

private static long initialSeed() {
    // 嘗試獲取 JVM 的啟動參數(shù)
    String sec = VM.getSavedProperty("java.util.secureRandomSeed");
    // 如果啟動參數(shù)設(shè)置的值為 true，則參數(shù)一個隨機(jī) 8 位的種子
    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;
    }
    // 如果沒有設(shè)置啟動參數(shù)，則使用當(dāng)前時間有關(guān)的隨機(jī)種子算法
    return (mix64(System.currentTimeMillis()) ^
            mix64(System.nanoTime()));
}

從上述源碼可以看出，當(dāng)我們設(shè)置了啟動參數(shù)“-Djava.util.secureRandomSeed=true”時，ThreadLocalRandom 會產(chǎn)生一個隨機(jī)種子，一定程度上能緩解隨機(jī)種子相同所帶來隨機(jī)數(shù)可預(yù)測的問題，然而默認(rèn)情況下如果不設(shè)置此參數(shù)，那么在多線程中就可以因為啟動時間相同，而導(dǎo)致多個線程在每一步操作中都會生成相同的隨機(jī)數(shù)。

3.SecureRandom

SecureRandom 繼承自 Random，該類提供加密強(qiáng)隨機(jī)數(shù)生成器。SecureRandom 不同于 Random，它收集了一些隨機(jī)事件，比如鼠標(biāo)點擊，鍵盤點擊等，SecureRandom 使用這些隨機(jī)事件作為種子。這意味著，種子是不可預(yù)測的，而不像 Random 默認(rèn)使用系統(tǒng)當(dāng)前時間的毫秒數(shù)作為種子，從而避免了生成相同隨機(jī)數(shù)的可能性。

基礎(chǔ)使用

// 創(chuàng)建 SecureRandom 對象，并設(shè)置加密算法
SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 生成 0-9 隨機(jī)整數(shù)
    int number = random.nextInt(10);
    // 打印結(jié)果
    System.out.println("生成隨機(jī)數(shù)：" + number);
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

SecureRandom 默認(rèn)支持兩種加密算法：

1. SHA1PRNG 算法，提供者 sun.security.provider.SecureRandom；
2. NativePRNG 算法，提供者 sun.security.provider.NativePRNG。

當(dāng)然除了上述的操作方式之外，你還可以選擇使用 new SecureRandom() 來創(chuàng)建 SecureRandom 對象，實現(xiàn)代碼如下：

SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();

通過 new 初始化 SecureRandom，默認(rèn)會使用 NativePRNG 算法來生成隨機(jī)數(shù)，但是也可以配置 JVM 啟動參數(shù)“-Djava.security”參數(shù)來修改生成隨機(jī)數(shù)的算法，或選擇使用 getInstance("算法名稱") 的方式來指定生成隨機(jī)數(shù)的算法。

4.Math

Math 類誕生于 JDK 1.0，它里面包含了用于執(zhí)行基本數(shù)學(xué)運(yùn)算的屬性和方法，如初等指數(shù)、對數(shù)、平方根和三角函數(shù)，當(dāng)然它里面也包含了生成隨機(jī)數(shù)的靜態(tài)方法 Math.random() ，此方法會產(chǎn)生一個 0 到 1 的 double 值，如下代碼所示。

① 基礎(chǔ)使用

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)
    double number = Math.random();
    System.out.println("生成隨機(jī)數(shù)：" + number);
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

② 擴(kuò)展

當(dāng)然如果你想用它來生成一個一定范圍的 int 值也是可以的，你可以這樣寫：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 生成一個從 0-99 的整數(shù)
    int number = (int) (Math.random() * 100);
    System.out.println("生成隨機(jī)數(shù)：" + number);
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

③ 實現(xiàn)原理

通過分析 Math 的源碼我們可以得知：當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用 Math.random() 方法時，自動創(chuàng)建了一個偽隨機(jī)數(shù)生成器，**實際上用的是 **new java.util.Random()，當(dāng)下一次繼續(xù)調(diào)用 Math.random() 方法時，就會使用這個新的偽隨機(jī)數(shù)生成器。

源碼如下：

public static double random() {
    return RandomNumberGeneratorHolder.randomNumberGenerator.nextDouble();
}

private static final class RandomNumberGeneratorHolder {
    static final Random randomNumberGenerator = new Random();
}

總結(jié)

本文我們介紹了 4 種生成隨機(jī)數(shù)的方法，其中 Math 是對 Random 的封裝，所以二者比較類似。Random 生成的是偽隨機(jī)數(shù)，是以當(dāng)前納秒時間作為種子數(shù)的，并且在多線程競爭比較激烈的情況下因為要進(jìn)行 CAS 操作，所以存在一定的性能問題，但對于絕大數(shù)應(yīng)用場景來說，使用 Random 已經(jīng)足夠了。當(dāng)在競爭比較激烈的場景下可以使用 ThreadLocalRandom 來替代 Random，但如果對安全性要求比較高的情況下，可以使用 SecureRandom 來生成隨機(jī)數(shù)，因為 SecureRandom 會收集一些隨機(jī)事件來作為隨機(jī)種子，所以 SecureRandom 可以看作是生成真正隨機(jī)數(shù)的一個工具類。

到此這篇關(guān)于Java中生成隨機(jī)數(shù)的4種方式與區(qū)別的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java生成隨機(jī)數(shù)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

參考 & 鳴謝

• http://www.dbjr.com.cn/article/83028.htm
• http://www.dbjr.com.cn/article/214982.htm

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