Java 生成随机数的 5 种方式

发表于 | 分类于 | 阅读次数: |

先说结论

试测数据：

  • 基于常见场景：在一个数据范围区间内生成随机数。
  • 1000万的随机数范围，for循环生成50万个随机数。无其他额外操作。
SDK包 性能耗时 评价
java.util.Random 9毫秒 1、编写简单，方法较多，也快速。很多SDK包都基于此扩展。
2、随机性重度依赖seed的情况，seed一样，分配的随机数和顺序一样。
3、线程不安全。
ThreadLocalRandom 8毫秒 1、继承于java.util.Random
2、与线程绑定，一个线程一个，多线程下安全。
3、seed情况部分借助于线程的内存地址等随机信息，来提升随机性。
Math.Random 14毫秒 1、用法上比较费劲，只能生成double。
2、内部有借用java.util.Random
SecureRandom 142毫秒 线程安全，seed不可预测（借助于系统中的随机事件信息）
Apache#RandomDataGenerator 54毫秒 API比较丰富，特殊场景下考虑。
it.unimi.dsi#XoRoShiRo128PlusRandom 17毫秒 偏门的三方包。比较快。线程不安全。

1. Math.random() 静态方法

产生的随机数是 0 - 1 之间的一个 double，即 0 <= random <= 1。

使用：

1
2
3
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  System.out.println(Math.random());
}

结果：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.3598613895606426 
0.2666778145365811 
0.25090731064243355 
0.011064998061666276 
0.600686228175639 
0.9084006027629496 
0.12700524654847833 
0.6084605849069343 
0.7290804782514261 
0.9923831908303121

实现原理：

When this method is first called, it creates a single new pseudorandom-number generator, exactly as if by the expression new java.util.Random() This new pseudorandom-number generator is used thereafter for all calls to this method and is used nowhere else.

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()。当接下来继续调用 Math.random() 方法时，就会使用这个新的伪随机数生成器。

源码如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
public static double random() {
    Random rnd = randomNumberGenerator;
    if (rnd == null) rnd = initRNG(); // 第一次调用，创建一个伪随机数生成器
    return rnd.nextDouble();
}

private static synchronized Random initRNG() {
    Random rnd = randomNumberGenerator;
    return (rnd == null) ? (randomNumberGenerator = new Random()) : rnd; // 实际上用的是new java.util.Random()
}

initRNG() 方法是 synchronized 的，因此在多线程情况下，只有一个线程会负责创建伪随机数生成器（使用当前时间作为种子），其他线程则利用该伪随机数生成器产生随机数。Java生成随机数的几种高级用法，这篇推荐看一下。

因此 Math.random() 方法是线程安全的。


什么情况下随机数的生成线程不安全？

  • 线程1在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator1，使用当前时间作为种子。
  • 线程2在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator2，使用当前时间作为种子。
  • 碰巧 generator1 和 generator2 使用相同的种子，导致 generator1 以后产生的随机数每次都和 generator2 以后产生的随机数相同。

什么情况下随机数的生成线程安全？： Math.random() 静态方法使用

  • 线程1在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator1，使用当前时间作为种子。
  • 线程2在第一次调用 random() 时发现已经有一个生成器 generator1，则直接使用生成器 generator1。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
public class JavaRandom {
    public static void main(String args[]) {
        new MyThread().start();
        new MyThread().start();
    }
}
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + Math.random());
        }
    }
}

结果：

1
2
3
4
Thread-1: 0.8043581595645333 
Thread-0: 0.9338269554390357 
Thread-1: 0.5571569413128877 
Thread-0: 0.37484586843392464


2. java.util.Random 工具类

基本算法：linear congruential pseudorandom number generator (LGC) 线性同余法伪随机数生成器缺点：可预测

使用：

1
2
3
4
5
Random random = new Random();

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println(random.nextInt());
}

结果：

1
2
3
4
5
-24520987
-96094681
-952622427
300260419
1489256498

Random类默认使用当前系统时钟作为种子:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
public Random() {
    this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}

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);
    }
}

Random类提供的方法：API

  • nextBoolean() - 返回均匀分布的 true 或者 false
  • nextBytes(byte[] bytes)
  • nextDouble() - 返回 0.0 到 1.0 之间的均匀分布的 double
  • nextFloat() - 返回 0.0 到 1.0 之间的均匀分布的 float
  • nextGaussian() - 返回 0.0 到 1.0 之间的高斯分布（即正态分布）的 double
  • nextInt() - 返回均匀分布的 int
  • nextInt(int n) - 返回 0 到 n 之间的均匀分布的 int （包括 0，不包括 n）
  • nextLong() - 返回均匀分布的 long
  • setSeed(long seed) - 设置种子

只要种子一样，产生的随机数也一样： 因为种子确定，随机数算法也确定，因此输出是确定的！

1
2
3
4
5
6
Random random1 = new Random(10000);
Random random2 = new Random(10000);

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println(random1.nextInt() + " = " + random2.nextInt());
}

结果：

1
2
3
4
5
-498702880 = -498702880
-858606152 = -858606152
1942818232 = 1942818232
-1044940345 = -1044940345
1588429001 = 1588429001


3. java.util.concurrent.ThreadLocalRandom 工具类

ThreadLocalRandom 是 JDK 7 之后提供，也是继承至 java.util.Random。

1
2
3
4
5
6
private static final ThreadLocal<ThreadLocalRandom> localRandom =
    new ThreadLocal<ThreadLocalRandom>() {
        protected ThreadLocalRandom initialValue() {
            return new ThreadLocalRandom();
        }
};

每一个线程有一个独立的随机数生成器，用于并发产生随机数，能够解决多个线程发生的竞争争夺。效率更高！

ThreadLocalRandom 不是直接用 new 实例化，而是第一次使用其静态方法 current() 得到 ThreadLocal 实例，然后调用 java.util.Random 类提供的方法获得各种随机数。

使用：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
public class JavaRandom {
    public static void main(String args[]) {
        new MyThread().start();
        new MyThread().start();
    }
}
class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + ThreadLocalRandom.current().nextDouble());
        }
    }
}

结果：

1
2
3
4
Thread-0: 0.13267085355389086
Thread-1: 0.1138484950410098 
Thread-0: 0.17187774671469858 
Thread-1: 0.9305225910262372


4. java.Security.SecureRandom

也是继承至 java.util.Random。

Instances of java.util.Random are not cryptographically secure. Consider instead using SecureRandom to get a cryptographically secure pseudo-random number generator for use by security-sensitive applications.SecureRandom takes Random Data from your os (they can be interval between keystrokes etc - most os collect these data store them in files - /dev/random and /dev/urandom in case of linux/solaris) and uses that as the seed. 操作系统收集了一些随机事件，比如鼠标点击，键盘点击等等，SecureRandom 使用这些随机事件作为种子。

SecureRandom 提供加密的强随机数生成器 (RNG)，要求种子必须是不可预知的，产生非确定性输出。SecureRandom 也提供了与实现无关的算法，因此，调用方（应用程序代码）会请求特定的 RNG 算法并将它传回到该算法的 SecureRandom 对象中。

  • 如果仅指定算法名称，如下所示：SecureRandom random = SecureRandom.getInstance(“SHA1PRNG”);
  • 如果既指定了算法名称又指定了包提供程序，如下所示：SecureRandom random = SecureRandom.getInstance(“SHA1PRNG”, “SUN”);

使用：

1
2
3
4
5
6
SecureRandom random1 = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
SecureRandom random2 = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println(random1.nextInt() + " != " + random2.nextInt());
}

结果：

1
2
3
4
5
704046703 != 2117229935 
60819811 != 107252259 
425075610 != -295395347 
682299589 != -1637998900 
-1147654329 != 1418666937


5. 随机字符串

可以使用 Apache Commons-Lang 包中的 RandomStringUtils 类。Maven 依赖如下：

1
2
3
4
5
<dependency>
    <groupId>commons-lang</groupId>
    <artifactId>commons-lang</artifactId>
    <version>2.6</version>
</dependency>

API 参考：https://commons.apache.org/proper/commons-lang/javadocs/api-2.6/org/apache/commons/lang/RandomStringUtils.html

示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
public class RandomStringDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // Creates a 64 chars length random string of number.
        String result = RandomStringUtils.random(64, false, true);
        System.out.println("random = " + result);

        // Creates a 64 chars length of random alphabetic string.
        result = RandomStringUtils.randomAlphabetic(64);
        System.out.println("random = " + result);

        // Creates a 32 chars length of random ascii string.
        result = RandomStringUtils.randomAscii(32);
        System.out.println("random = " + result);

        // Creates a 32 chars length of string from the defined array of
        // characters including numeric and alphabetic characters.
        result = RandomStringUtils.random(32, 0, 20, true, true, "qw32rfHIJk9iQ8Ud7h0X".toCharArray());
        System.out.println("random = " + result);

    }
}

RandomStringUtils 类的实现上也是依赖了 java.util.Random 工具类：
在这里插入图片描述

RandomStringUtils 类的定义

-------------本文结束感谢您的阅读-------------
谢谢你请我吃糖
分享到： 收藏夹 复制网址 邮件 微信 QQ空间 腾讯微博 豆瓣 一键分享 更多