概述

java.util.Random可以產(chǎn)生int、long、float、double以及Goussian等類型的隨機(jī)數(shù)。這也是它與java.lang.Math中的方法Random()最大的不同之處，后者只產(chǎn)生double型的隨機(jī)數(shù)。

該類的實(shí)例被用于生成偽隨機(jī)數(shù)的流。該類使用一個(gè) 48 位的種子，它被一個(gè)線性同余公式所修改。如果 Random 的兩個(gè)實(shí)例用同一種子創(chuàng)建，對(duì)每個(gè)實(shí)例完成同方法調(diào)用序列它們將生成和返回相同的數(shù)序列成同一方法調(diào)用序列，它們將生成和返回相同的數(shù)序列。

示例

public class RandomTest {
 public static void main(String[] args) {
 testRandom();
 System.out.println("---------------------");
 testRandom();
 System.out.println("---------------------");
 testRandom();
 }
 
 public static void testRandom(){
 Random random = new Random(1);
 for(int i=0; i<5; i++){
  System.out.print(random.nextInt()+"\t");
 }
 System.out.println("");
 }
}

輸出結(jié)果：

從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，只要種子一樣，獲取的隨機(jī)數(shù)的序列就是一致的。是一種偽隨機(jī)數(shù)的實(shí)現(xiàn)，而不是真正的隨機(jī)數(shù)。

Random 源碼分析

Random 類結(jié)構(gòu)

class Random implements java.io.Serializable {
 private final AtomicLong seed;

 private static final long multiplier = 0x5DEECE66DL;
 private static final long addend = 0xBL;
 private static final long mask = (1L << 48) - 1;
 private static final AtomicLong seedUniquifier = new AtomicLong(8682522807148012L);

有參構(gòu)造方法

public Random(long seed) {
 if (getClass() == Random.class)
  this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
 else {
  // subclass might have overriden setSeed
  this.seed = new AtomicLong();
  setSeed(seed);
 }
}

private static long initialScramble(long seed) {
 return (seed ^ multiplier) & mask;
}

通過(guò)傳入一個(gè)種子，來(lái)生成隨機(jī)數(shù)，通過(guò)上面的例子發(fā)現(xiàn)，種子一樣產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列一樣，如果每次使用想產(chǎn)生不一樣的序列，那就只能每次傳入一個(gè)不一樣的種子。

無(wú)參構(gòu)造方法

public Random() {
 this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
 }
private static long seedUniquifier() {
 // L'Ecuyer, "Tables of Linear Congruential Generators of
 // Different Sizes and Good Lattice Structure", 1999
 for (;;) {
  long current = seedUniquifier.get();
  long next = current * 181783497276652981L;
  if (seedUniquifier.compareAndSet(current, next))
   return next;
 }
}

通過(guò)源碼發(fā)現(xiàn)，無(wú)參的構(gòu)造方法，里面幫我們自動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)種子，并通過(guò)CAS自旋方式保證，每次獲取的種子不一樣，從而保證每次new Random()獲取的隨機(jī)序列不一致。

nextInt() 方法：獲取 int 隨機(jī)數(shù)

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));
 return (int)(nextseed >>> (48 - bits));
}

從代碼中我們可以發(fā)現(xiàn)，只要種子確定后，每次產(chǎn)生的數(shù)，都是采用固定的算法進(jìn)行產(chǎn)生的，所以只要種子確定后，每次產(chǎn)生的序列就是固定的。

每次更新種子的時(shí)候是使用的CAS來(lái)更新的，如果高并發(fā)的環(huán)境下，性能是個(gè)問(wèn)題。

安全性問(wèn)題

試想下，如果這是一個(gè)搖獎(jiǎng)平臺(tái)，只要種子確定后，每次產(chǎn)生的序列都一樣。這樣就可利用這個(gè)漏洞來(lái)預(yù)測(cè)下一次開(kāi)獎(jiǎng)的號(hào)碼，這樣容易被一些人鉆空子。

jdk建議大家盡量要使用 SecureRandom 來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)的生成。

SecureRandom

SecureRandom是強(qiáng)隨機(jī)數(shù)生成器，主要應(yīng)用的場(chǎng)景為：用于安全目的的數(shù)據(jù)數(shù)，例如生成秘鑰或者會(huì)話標(biāo)示（session ID），在上文《偽隨機(jī)數(shù)安全性》中，已經(jīng)給大家揭露了弱隨機(jī)數(shù)生成器的安全問(wèn)題，而使用SecureRandom這樣的強(qiáng)隨機(jī)數(shù)生成器將會(huì)極大的降低出問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。

產(chǎn)生高強(qiáng)度的隨機(jī)數(shù)，有兩個(gè)重要的因素：種子和算法。算法是可以有很多的，通常如何選擇種子是非常關(guān)鍵的因素。 如Random，它的種子是System.currentTimeMillis()，所以它的隨機(jī)數(shù)都是可預(yù)測(cè)的， 是弱偽隨機(jī)數(shù)。
強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)的生成思路：收集計(jì)算機(jī)的各種信息，鍵盤輸入時(shí)間，內(nèi)存使用狀態(tài)，硬盤空閑空間，IO延時(shí)，進(jìn)程數(shù)量，線程數(shù)量等信息，CPU時(shí)鐘，來(lái)得到一個(gè)近似隨機(jī)的種子，主要是達(dá)到不可預(yù)測(cè)性。

說(shuō)的簡(jiǎn)單點(diǎn)就是，使用加密算法生成很長(zhǎng)的一個(gè)隨機(jī)種子，讓你無(wú)法猜測(cè)出種子，也就無(wú)法推導(dǎo)出隨機(jī)序列數(shù)。

Random性能問(wèn)題

從 Random 源碼中我們發(fā)現(xiàn)，每次獲取隨機(jī)數(shù)的時(shí)候都是使用CAS的方式進(jìn)行更新種子的值。這樣在高并發(fā)的環(huán)境中會(huì)存在大量的CAS重試，導(dǎo)致性能下降。這時(shí)建議大家使用ThreadLocalRandom類來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)的生成。

ThreadLocalRandom 實(shí)現(xiàn)原理

Thread 類

Thread 類中有一個(gè) threadLocalRandomSeed 屬性。

ThreadLocalRandom 結(jié)構(gòu)

SEED 變量是 threadLocalRandomSeed 在 Thread 對(duì)象中的偏移量。

ThreadLocalRandom.nextSeed() 方法

從這個(gè)方法中，我們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)線程的種子值都存儲(chǔ)在Thread對(duì)象的threadLocalRandomSeed 屬性中。

結(jié)論

因?yàn)門hreadLocalRandom 中的種子存儲(chǔ)在Thread對(duì)象中，所以高并發(fā)獲取Random對(duì)象時(shí)，不會(huì)使用CAS來(lái)保證每次獲取的值不一致。
每個(gè)線程維護(hù)一個(gè)它自己的種子，每個(gè)線程需要獲取隨機(jī)數(shù)的時(shí)候，從當(dāng)前的Thread對(duì)象中獲取當(dāng)前線程的種子，進(jìn)行獲取隨機(jī)數(shù)，性能大大提高。

好了，以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來(lái)一定的幫助，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。

最新評(píng)論