干掉 Random，获取随机数他才是王者，安全!

今天药忘吃喽~ 2023-10-10 19:01 24阅读 0赞

最近在写一些业务代码时遇到一个需要产生随机数的场景，这时自然想到 jdk 包里的`Random`类。但出于对性能的极致追求，就考虑使用`ThreadLocalRandom`类进行优化，在查看 ThreadLocalRandom 实现的过程中，又追了下`Unsafe`有部分代码，整个流程下来，学到了不少东西，也通过搜索和提问解决了很多疑惑，于是总结成本文。

## Random 的性能问题 ##

使用 Random 类时，为了避免重复创建的开销，我们一般将实例化好的 Random 对象设置为我们所使用服务对象的属性或静态属性，这在线程竞争不激烈的情况下没有问题，但在一个高并发的 web 服务内，使用同一个 Random 对象可能会导致线程阻塞。

Random 的随机原理是对一个”随机种子”进行固定的算术和位运算，得到随机结果，再使用这个结果作为下一次随机的种子。在解决线程安全问题时，Random 使用 CAS 更新下一次随机的种子，可以想到，如果多个线程同时使用这个对象，就肯定会有一些线程执行 CAS 连续失败，进而导致线程阻塞。

## ThreadLocalRandom ##

jdk 的开发者自然考虑到了这个问题，在 concurrent 包内添加了`ThreadLocalRandom`类，第一次看到这个类名，我以为它是通过 ThreadLocal 实现的，进而想到恐怖的内存泄漏问题，但点进源码却没有 ThreadLocal 的影子，而是存在着大量 Unsafe 相关的代码。

### 具体使用 ###

ThreadLocalRandom 的具体使用方式如下：

1.  获取实例
    
        ThreadLocalRandom random = ThreadLocalRandom.current(); // 获取当前线程的 ThreadLocalRandom 实例
2.  随机整数
    
        // 获取一个 0 到 9 的随机整数
        int i1 = ThreadLocalRandom.current().nextInt(10); 
        
        // 获取一个 10 到 19 的随机整数
        int i2 = ThreadLocalRandom.current().nextInt(10, 20); 
3.  随机长整数
    
        // 获取一个 0 到 999999999 的随机长整数
        long l1 = ThreadLocalRandom.current().nextLong(1000000000);
        
        // 获取一个 1000000000 到 1999999999 的随机长整数
        long l2 = ThreadLocalRandom.current().nextLong(1000000000, 2000000000); 
4.  随机布尔值
    
        boolean b = ThreadLocalRandom.current().nextBoolean(); // 随机返回 true 或 false
5.  随机浮点数
    
        // 获取一个 0.0 到 1.0 的随机浮点数
        float f1 = ThreadLocalRandom.current().nextFloat();
        
        // 获取一个 0.0 到 9.0 的随机浮点数
        float f2 = ThreadLocalRandom.current().nextFloat(10.0f); 
        
        // 获取一个 10.0 到 19.0 的随机浮点数
        float f3 = ThreadLocalRandom.current().nextFloat(10.0f, 20.0f);
        
        // 获取一个 0.0 到 1.0 的随机浮点数
        double d1 = ThreadLocalRandom.current().nextDouble();
        
        // 获取一个 0.0 到 9.0 的随机浮点数
        double d2 = ThreadLocalRandom.current().nextDouble(10.0); 
        
        // 获取一个 10.0 到 19.0 的随机浮点数
        double d3 = ThreadLocalRandom.current().nextDouble(10.0, 20.0);
6.  随机字节数组
    
        byte[] bytes = new byte[10];
        ThreadLocalRandom.current().nextBytes(bytes); // 填充 bytes 数组为随机字节序列

### 核心代码 ###

UNSAFE.putLong(t = Thread.currentThread(), SEED, r = UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA);

翻译成更直观的 Java 代码就像：

Thread t = Thread.currentThread();
    long r = UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA;
    UNSAFE.putLong(t, SEED, r);

看上去非常眼熟，像我们平常往 Map 里 get/set 一样，以`Thread.currentThread()`获取到的当前对象里 key，以 SEED 随机种子作为 value。

但是以对象作为 key 是可能会造成内存泄漏的啊，由于 Thread 对象可能会大量创建，在回收时不 remove Map 里的 value 时会导致 Map 越来越大，最后内存溢出。

## Unsafe ##

**功能**

不过再仔细看 ThreadLocalRandom 类的核心代码，发现并不是简单的 Map 操作，它的 getLong() 方法需要传入两个参数，而 putLong() 方法需要三个参数，查看源码发现它们都是 native 方法，我们看不到具体的实现。两个方法签名分别是：

public native long getLong(Object var1, long var2);
    public native void putLong(Object var1, long var2, long var4);

虽然看不到具体实现，但我们可以查得到它们的功能，下面是两个方法的功能介绍：

*  putLong(object, offset, value) 可以将 object 对象内存地址偏移 offset 后的位置后四个字节设置为 value。
 *  getLong(object, offset) 会从 object 对象内存地址偏移 offset 后的位置读取四个字节作为 long 型返回。

**不安全性**

作为 Unsafe 类内的方法，它也透露着一股 “Unsafe” 的气息，具体表现就是可以直接操作内存，而不做任何安全校验，如果有问题，则会在运行时抛出`Fatal Error`，导致整个虚拟机的退出。

在我们的常识里，get 方法是最容易抛异常的地方，比如空指针、类型转换等，但 Unsafe.getLong() 方法是个非常安全的方法，它从某个内存位置开始读取四个字节，而不管这四个字节是什么内容，总能成功转成 long 型，至于这个 long 型结果是不是跟业务匹配就是另一回事了。而 set 方法也是比较安全的，它把某个内存位置之后的四个字节覆盖成一个 long 型的值，也几乎不会出错。

那么这两个方法”不安全”在哪呢？

它们的不安全并不是在这两个方法执行期间报错，而是未经保护地改变内存，会引起别的方法在使用这一段内存时报错。

public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // Unsafe 设置了构造方法私有，getUnsafe 获取实例方法包私有，在包外只能通过反射获取
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); 
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        // Test 类是一个随手写的测试类，只有一个 String 类型的测试类
        Test test = new Test();
        test.ttt = "12345";
        unsafe.putLong(test, 12L, 2333L);
        System.out.println(test.value);
    }

运行上面的代码会得到一个 fatal error，报错信息为 “A fatal error has been detected by the Java Runtime Environment: … Process finished with exit code 134 (interrupted by signal 6: SIGABRT)”。

可以从报错信息中看到虚拟机因为这个 fatal error abort 退出了，原因也很简单，我使用 unsafe 将 Test 类 value 属性的位置设置成了 long 型值 2333，而当我使用 value 属性时，虚拟机会将这一块内存解析为 String 对象，原 String 对象对象头的结构被打乱了，解析对象失败抛出了错误，更严重的问题是报错信息中没有类名行号等信息，在复杂项目中排查这种问题真如同大海捞针。

不过 Unsafe 的其他方法可不一定像这一对方法一样，使用他们时可能需要注意另外的安全问题，之后有遇到再说。

**ThreadLocalRandom 的实现**

那么 ThreadLocalRandom 是不是安全的呢，再回过头来看一下它的实现。

ThreadLocalRandom 的实现需要 Thread 对象的配合，在 Thread 对象内存在着一个属性`threadLocalRandomSeed`，它保存着这个线程专属的随机种子，而这个属性在 Thread 对象的 offset，是在 ThreadLocalRandom 类加载时就确定了的，具体方法是`SEED = UNSAFE.objectFieldOffset(Thread.class.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));`

我们知道一个对象所占用的内存大小在类被加载后就确定了的，所以使用`Unsafe.objectFieldOffset(class, fieldName)`可以获取到某个属性在类中偏移量，而在找对了偏移量，又能确定数据类型时，使用 ThreadLocalRandom 就是很安全的。

## 疑问 ##

在查找这些问题的过程中，我也产生了两个疑问点。

**使用场景**

首先就是 ThreadLocalRandom 为什么非要使用 Unsafe 来修改 Thread 对象内的随机种子呢，在 Thread 对象内添加 get/set 方法不是更方便吗？

stackOverFlow 上有人跟我同样的疑问，why is threadlocalrandom implemented so bizarrely，被采纳的答案里解释说，对 jdk 开发者来说 Unsafe 和 get/set 方法都像普通的工具，具体使用哪一个并没有一个准则。这个答案并没有说服我，于是我另开了一个问题，里面的一个评论我比较认同，大意是 ThreadLocalRandom 和 Thread 不在同一个包下，如果添加 get/set 方法的话，get/set 方法必须设置为 public，这就有违了类的封闭性原则。

**内存布局**

另一个疑问是我看到 Unsafe.objectFieldOffset 可以获取到属性在对象内存的偏移量后，自己在 IDEA 里使用 main 方法试了上文中提到的 Test 类，发现 Test 类的唯一一个属性 value 相对对象内存的偏移量是 12，于是比较疑惑这 12 个字节的组成。

我们知道，Java 对象的对象头是放在 Java 对象的内存起始处的，而一个对象的 MarkWord 在对象头的起始处，在 32 位系统中，它占用 4 个字节，而在 64 位系统中它占用 8 个字节，我使用的是 64 位系统，这毫无疑问会占用 8 个字节的偏移量。

紧跟 MarkWord 的应该是 Test 类的类指针和数组对象的长度，数组长度是 4 字节，但 Test 类并非数组，也没有其他属性，数据长度可以排除，但在 64 位系统下指针也应该是 8 字节的啊，为什么只占用了 4 个字节呢？

唯一的可能性是虚拟机启用了指针压缩，指针压缩只能在 64 位系统内启用，启用后指针类型只需要占用 4 个字节，但我并没有显示指定过使用指针压缩。查了一下，原来在 1.8 以后指针压缩是默认开启的，在启用时使用`-XX:-UseCompressedOops`参数后，value 的偏移量变成了 16。

## 小结 ##

在写代码时还是要多注意查看依赖库的具体实现，不然可能踩到意想不到的坑，而且多看看并没有坏处，仔细研究一下还能学到更多。