你明白吗？Java 各种随机方式对比

墨蓝 2022-12-08 14:22 132阅读 0赞

*  1.  Math.random() 静态方法
 *  1.  java.util.Random 工具类
 *  1.  java.util.concurrent.ThreadLocalRandom 工具类
 *  1.  java.Security.SecureRandom
 *  1.  随机字符串

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# 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`。

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

结果：

> 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：

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()
    }

> This method is properly synchronized to allow correct use by more than one thread. However, if many threads need to generate pseudorandom numbers at a great rate, it may reduce contention for each thread to have its own pseudorandom-number generator.

`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。

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`。

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：

> 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

> An attacker will simply compute the seed from the output values observed. This takes significantly less time than 2^48 in the case of java.util.Random. 从输出中可以很容易计算出种子值。
> 
> It is shown that you can predict future Random outputs observing only two(!) output values in time roughly 2^16. 因此可以预测出下一个输出的随机数。
> 
> You should never use an LCG for security-critical purposes. 在注重信息安全的应用中，不要使用 LCG 算法生成随机数，请使用 SecureRandom。

使用：

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

结果：

> \-24520987
> 
> \-96094681
> 
> \-952622427
> 
> 300260419
> 
> 1489256498

Random类默认使用当前系统时钟作为种子:

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！

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：

> \-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。

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<ThreadLocalRandom>` 实例，然后调用 `java.util.Random` 类提供的方法获得各种随机数。

使用：

结果：

> 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：

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：

> 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：

<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：

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：

public class RandomStringUtils {
 
 /**
 * Random object used by random method. This has to be not local
 * to the random method so as to not return the same value in the 
 * same millisecond.
 */
 private static final Random RANDOM = new Random();
 
 /**
 * <code>RandomStringUtils</code> instances should NOT be constructed in
 * standard programming. Instead, the class should be used as
 * <code>RandomStringUtils.random(5);</code>.
 *
 * This constructor is public to permit tools that require a JavaBean instance
 * to operate.
 */
 public RandomStringUtils() {
 super();
 }
 
 。。。

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