Java随机数之System/Random/SecureRandom详解

骑猪看日落 2024-03-22 16:52 12阅读 0赞

**本系列为：从零开始学Java，为千锋教育资深Java教学老师独家创作**

**致力于为大家讲解清晰Java学习相关知识点，含有丰富的代码案例及讲解。如果感觉对大家有帮助的话，可以【点个关注】持续追更~**

**文末有本文重点总结！关于技术类问题，也欢迎大家和我们沟通交流！**

## 前言 ##

我们在解决实际问题时，**除了经常需要对数字、日期、时间进行操作之外，有时候还需要对系统进行设置，另外还需要生成一些随机数字。**

那么我们又该如何实现这些需求呢？接下来我们会带着大家来学习一下**Java中的另几个常用类**，包括**System、Random、SecureRandom等。**

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全文大约 **【4000】字，** 不说废话，只讲可以让你学到技术、明白原理的纯干货！本文带有丰富的案例及配图，让你更好地理解和运用文中的技术概念，并可以给你带来具有足够启迪的思考…

## 一. System类 ##

### 1. 简介 ###

`System`类位于java.lang包中，代表着当前Java程序的运行平台，系统级的很多属性和控制方法都放在该类中。

由于该类的构造方法是`private`的，所以我们无法直接通过new的方式来创建该类的对象。System类提供了一些静态变量和静态方法，允许我们直接通过System类来调用这些类变量和类方法。在System类中，虽然有挺多的静态变量和方法，但对我们来说，只需记住一些常用的即可。

#### 1.1 常用静态变量 ####

**System类中常用的静态变量有如下几个：**

> ● PrintStream out：标准输出流；
> 
> ● InputStream in：标准输入流；
> 
> ● PrintStream err：标准错误输出流；

#### 1.2 常用静态方法 ####

**System类中常用的静态方法有如下几个：**

> ● currentTimeMillis()：返回当前的计算机时间；
> 
> ● exit()：终止当前正在运行的 Java 虚拟机；
> 
> ● gc()：请求系统进行垃圾回收，完成内存中的垃圾清除；
> 
> ● getProperty()：获得系统中属性名为 key 的属性对应的值；
> 
> ● arraycopy()：进行数组复制，即从指定源数组中复制一个数组。

接下来我们就把**以上这些静态变量和静态方法的基本使用**，给大家简要介绍一下。

### 2. 静态变量的使用 ###

首先我们来看看System类中几个常用静态变量该如何使用。

#### 2.1 out ####

out静态变量属于`PrintStream`类型，是System类中的标准输出流，用于接收要输出的数据。out中的数据内容通常会输出到显示器，或用户指定的某个输出目标。其实对我们来说，out并不陌生，可以说在我们之前的案例中经常使用，尤其是out中的print方法，最近我们一直在使用。但我们要搞清楚，print属于PrintStream流的方法，并不是 System类的方法。

//输出字符串不换行
    System.out.print("Hello World");
    
    //输出字符串并换行
    System.out.println("Hello World");

#### 2.2 in ####

in静态变量属于`InputStream`类型，是System类中的标准输入流，用于接收输入的数据。in通常是对应着键盘的输入，或是用户指定的另一个输入源。我们在之前的案例中，也简单使用过in常量，但它没有out用的那么频繁。  
![请添加图片描述][fa4b009b3e834581915ada39fb957f69.png]

上面的这个案例，`System.in.read()`语句可以读入一个字符，read()方法是`InputStream`类拥有的方法。变量c必须用 int 类型，而不能用char类型，否则可能会丢失精度而导致编译失败。另外上面的程序，如果输入的是汉字将不能正常输出。如果我们想正常输出汉字，需要把 System.in声明为 InputStreamReader类型的实例。比如

`InputStreamReader in=new InputStreamReader(System.in,"GB2312")`，此时就可以读入完整的Unicode码，才能显示正常的汉字。

#### 2.3 err ####

err静态变量属于`PrintStream`类型，是System类中的标准错误输出流，用于接收要输出的数据。err中的数据内容通常会输出到显示器，或用户指定的某个输出目标。其用法与System.out一样，只是不需要我们提供参数就可以输出错误信息，也可以用来输出用户指定的其他信息，包括一些变量的值。

//err的用法
    System.err.println();
    
    //输出指定的内容
    System.err.println("错误信息");

**以上这几个静态变量都很简单，大家记住其用法即可。**

### 3. 静态方法的使用 ###

接下来再跟大家说说**System类中的几个常用静态方法的用法**。

#### 3.1 currentTimeMillis()方法 ####

`currentTimeMillis()`方法用于返回当前计算机的时间戳，时间格式是当前计算机的时间与GMT时间(格林尼治时间)，自1970年 1月 1日 0时 0分 0秒以来所经历的毫秒数，我们一般用它来测试程序的执行时间。通过调用`currentTimeMillis()`方法，我们可以获得一个长整型的数字，该数字是以差值表达的当前时间。其实`currentTimeMillis()`方法我们在之前的文章中已经详细讲解过，这里就不再细说了。

long time = System.currentTimeMillis();

#### 3.2 exit()方法 ####

exit()方法用于终止当前正在运行的Java虚拟机，也就是可以用于退出程序。该方法需要一个整型的status参数，0表示正常退出，非零表示异常退出。我们使用该方法，可以在图形界面编程中实现程序的退出功能。该方法的用法如下：

public class Demo01 {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//exit的用法
    		try {
        
                //睡眠5秒
    			Thread.sleep(5000);
    			//5秒后正常退出程序
    			System.exit(0);
    		} catch (InterruptedException e) {
        
    			e.printStackTrace();
    		}
    	}
    }

#### 3.3 gc()方法 ####

gc()方法用于请求对系统主动进行垃圾回收，完成内存中的垃圾清除。但系统是否会立刻回收这些垃圾，却取决于系统中垃圾回收算法的具体实现，以及系统执行时的具体情况。一般我们在开发时不会主动调用该方法，有时候调用了也未必有效果。

//主动进行垃圾回收
    System.gc();

#### 3.4 getProperty()方法 ####

`getProperty()`方法可以根据指定的key，获得系统中对应的某些属性值，系统中常见的属性名及其属性如下表所示：

![image.png][]

public class Demo03 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//getProperty的用法
    		
    		//获取java版本
    		String version = System.getProperty("java.version");
    		System.out.println("Java版本:"+version);
    		
    		//获取java安装目录
    		String home = System.getProperty("java.home");
    		System.out.println("Java目录:"+home);
    		
    		//系统名称
            String name = System.getProperty("os.name");
            System.out.println("操作系统名称:"+name);
            
            //用户名称
            String user = System.getProperty("user.name");
            System.out.println("当前用户名称:"+user);
    	}
    
    }

#### 3.5 arraycopy() ####

`arraycopy()`方法用于数组复制，可以从指定的源数组中复制出一个数组，复制会从指定的位置开始，到目标数组的指定位置结束。`arraycopy()`方法一般有5个参数，其中，src表示源数组，srcPos表示从源数组中复制的起始位置，dest表示目标数组，destPos表示要复制到的目标数组的起始位置，length表示复制的个数。

public class Demo04 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//arraycopy的用法
    		
    		//源数组
    		char[] srcArray = {
        'A','B','C','D'};
    		//目标数组
            char[] destArray = {
        '1','2','3','4','5'};
            
            //进行数组复制
            System.arraycopy(srcArray,1,destArray,1,2);
            
            System.out.println("遍历源数组:");
            for(int i = 0;i < srcArray.length;i++) {
        
                System.out.println("源数组中的每个元素:"+srcArray[i]);
            }
            
            System.out.println("遍历目标数组:");
            for(int j = 0;j < destArray.length;j++) {
        
                System.out.println("新数组中的每个元素:"+destArray[j]);
            }
    	}
    
    }

## 二. Random随机类 ##

### 1. 简介 ###

我们在开发时，除了操作一些固定的数字之外，有时候还要操作一些不确定的随机数。Java中给我们提供了两种生成指定范围内随机数的方法：

> ● 使用Random类：伪随机数类，用来创建伪随机数。所谓伪随机数，就是指我们只要给定一个初始的种子，产生的随机数序列是完全一样的；
> 
> ● 调用Math类的random()方法：Math.random()内部其实是在调用Random类，它也是伪随机数，但我们无法指定种子。

Random类为我们提供了比较丰富的随机数生成方法，比如`nextInt()、nextLong()、nextFloat()、nextDouble()`等方法。这些方法可以产生`boolean、int、long、float、byte`数组以及double类型的随机数，这是它比random()方法更好的地方，random()方法只能产生0~1之间的double类型随机数。

而且Random类提供的所有方法，生成的随机数字都是均匀分布的，也就是说区间内部的数字生成的概率是均等的。Random类位于java.util包中，该类有如下两个常用的构造方法：

> ● Random()：默认利用当前系统的时间戳作为种子数，使用该种子数构造出Random对象。
> 
> ● Random(long seed)：使用单个的long类型参数，创建一个新的随机数生成器。

### 2. 常用API方法 ###

在Random类中，有如下一些常用的API方法供我们操作随机数：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>boolean nextBoolean()</td> 
   <td>生成一个随机的 boolean 值，生成 true 和 false 的值概率相等</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>double nextDouble()</td> 
   <td>生成一个随机的 double 值，数值介于 [0,1.0)，含 0 而不包含 1.0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int nextlnt()</td> 
   <td>生成一个随机的 int 值，该值介于 int 的区间，也就是 -231~231-1。如果需要生成指定区间的 int 值，则需要进行一定的数学变换</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int nextlnt(int n)</td> 
   <td>生成一个随机的 int 值，该值介于 [0,n)，包含 0 而不包含 n。如果想生成指定区间的 int 值，也需要进行一定的数学变换</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void setSeed(long seed)</td> 
   <td>重新设置 Random 对象中的种子数。设置完种子数以后的 Random 对象和相同种子数使用 new 关键字创建出的 Random 对象相同</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>long nextLong()</td> 
   <td>返回一个随机长整型数字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>boolean nextBoolean()</td> 
   <td>返回一个随机布尔型值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>float nextFloat()</td> 
   <td>返回一个随机浮点型数字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>double nextDouble()</td> 
   <td>返回一个随机双精度值</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 3. 基本用法 ###

接下来我们通过一个案例，来给大家讲解一下上述方法该如何使用。

import java.util.Random;
    
    public class Demo07 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		// 随机类生成随机数
    		Random r = new Random();
    		
    		// 生成[0,1.0]区间的小数
    		double d1 = r.nextDouble();
    		System.out.println("d1="+d1);
    		
    		// 生成[0,10.0]区间的小数
    		double d2 = r.nextDouble() * 10;
    		System.out.println("d2="+d2);
    		
    		// 生成[0,10]区间的整数
    		int i1 = r.nextInt(10);
    		System.out.println("i1="+i1);
    		
    		// 生成[0,25)区间的整数
    		int i2 = r.nextInt(30) - 5;
    		System.out.println("i2="+i2);
    		
    		// 生成一个随机长整型值
    		long l1 = r.nextLong();
    		System.out.println("l1="+l1);
    		
    		// 生成一个随机布尔型值
    		boolean b1 = r.nextBoolean();
    		System.out.println("b1="+b1);
    		
    		// 生成一个随机浮点型值
    		float f1 = r.nextFloat();
    		System.out.println("f1="+f1);
    	}
    
    }

但是我们从上面的案例中，会发现每次生成的随机数可能都是不同的，并没有体现出伪随机数的特性，这是为什么呢？其实这是因为我们创建Random实例时，如果没有给定种子，默认是使用系统的当前时间戳作为种子。因此每次运行时，种子都不同，所以得到的伪随机数序列就不同。如果我们在创建Random实例时指定一个固定的种子，就会得到完全确定的随机数序列。

## 三. SecureRandom类 ##

### 1. 简介 ###

之前给大家说过，**Random是一种伪随机数类。这时候就有小伙伴问了，那有没有真随机数类呢？**

当然是有的！

**SecureRandom就是一种真随机数！**

从原理来看，`SecureRandom`内部使用了RNG (Random Number Generator，随机数生成)算法，来生成一个不可预测的安全随机数。但在JDK的底层，实际上SecureRandom也有多种不同的具体实现。有的是使用安全随机种子加上伪随机数算法来生成安全的随机数，有的是使用真正的随机数生成器来生成随机数。实际使用时，我们可以优先获取高强度的安全随机数生成器；如果没有提供，再使用普通等级的安全随机数生成器。但不管哪种情况，我们都无法指定种子。

因为这个种子是通过CPU的热噪声、读写磁盘的字节、网络流量等各种随机事件产生的“熵”，所以这个种子理论上是不可能会重复的。这也就保证了SecureRandom的安全性，所以最终生成的随机数就是安全的真随机数。

尤其是在密码学中，安全的随机数非常重要。如果我们使用不安全的伪随机数，所有加密体系都将被攻破。因此，为了保证系统的安全，我们尽量使用SecureRandom来产生安全的随机数。

### 2. 基本使用 ###

`SecureRandom`给我们提供了 `nextBoolean()、nextBytes()、nextDouble()、nextFloat()、nextInt()`等随机数生成方法，如下图所示：

![0f4bee5f78b64577a5741610901a992d_tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image][]

接下来我们就通过一个案例，来看看到底该如何生成一个安全的随机数。

import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    import java.security.SecureRandom;
    import java.util.Arrays;
    
    public class Demo05 {
        
    
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//SecureRandom真随机数的用法
    		
    		SecureRandom sr = null;
            try {
        
            	//获取高强度安全随机数生成器实例对象
                sr = SecureRandom.getInstanceStrong(); 
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        
            	//处理异常，获取普通的安全随机数生成器
                sr = new SecureRandom(); 
            }
            
            //生成16个随机数
            byte[] buffer = new byte[16];
            //用安全随机数填充buffer
            sr.nextBytes(buffer); 
            System.out.println("随机数="+Arrays.toString(buffer));
            
            //生成100以内的随机整数
            int nextInt = sr.nextInt(100);
            System.out.println("随机数="+nextInt);
    	}
    
    }

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## 四. 结语 ##

至此，就把与系统类、伪随机数、真随机数等相关的类给大家介绍完了，这样我们就把开发时的一些常见类介绍完毕了。今天的重点内容是：

> ● System：代表着当前Java程序的运行平台，系统级的很多属性和控制方法都放在该类中；
> 
> ● Random：生成伪随机数；
> 
> ● SecureRandom：生成安全的真随机数。

[fa4b009b3e834581915ada39fb957f69.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/4d6ee6263eef470d806a8871643285a2.png
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[0f4bee5f78b64577a5741610901a992d_tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/6cf55d766a5244709cfbec6e9963c41b.png