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【Java】随机数原理 Random ThreadLocalRandom

时间:2022-11-11 12:35:36浏览次数:42  
标签:Java ThreadLocalRandom int Random long 生成 seed


大致生成原理:随机数由seed经过一定的转换生成。需要提供初始seed。每一次生成随机数时,先由老seed生成新seed,再根据新seed生成新的随机数。由于算法是固定的,所以如果初始seed一样,那么生成的随机数序列就是一样的,这就是为什么Java的随机数要被叫做“伪随机数”。数学逻辑这里不展开。
主要实现类有两个Random以及ThreadLocalRandom。这两个都是线程安全的,区别在于解决并发生成新seed的方式不一样。Random是通过cas+自旋的方式,所以高并发场景下会有竞争,可能造成性能瓶颈。ThreadLocalRandom从名字就可以看出,使用了ThreadLocal的思想,每一个线程都有自己的seed,所以不存在竞争,在多线程场景下性能更好.下面看下具体实现:

Random:
首先看下Random的无参构造函数,提供了初始seed的生成逻辑:

private static final AtomicLong seedUniquifier = new AtomicLong(8682522807148012L);
public Random() {
this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}

private static long seedUniquifier() {
long current;
long next;
do {
current = seedUniquifier.get();
next = current * 1181783497276652981L;
} while(!seedUniquifier.compareAndSet(current, next));

return next;
}

public Random(long seed) {
this.haveNextNextGaussian = false;
if (this.getClass() == Random.class) {
this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
} else {
this.seed = new AtomicLong();
this.setSeed(seed);
}

}

可以看到是通过seedUniquifier和System.nanoTime两个函数做位运算生成的。seedUniquifier这个函数应该是为了生成初始化的seed,该函数使用cas的方式生成一个quilifer。不同的Random实例都有不同的quilifer,quilifer是通过cas变换一个static的变量生成的。之后再调用一个有参的构造函数设置初始seed。
接下来看下nextInt函数:

private final AtomicLong seed;
protected int next(int bits) {
AtomicLong seed = this.seed;

long oldseed;
long nextseed;
do {
oldseed = seed.get();
nextseed = oldseed * 25214903917L + 11L & 281474976710655L;
} while(!seed.compareAndSet(oldseed, nextseed));

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

可以看到,这里是通过cas方式将老的seed生成一个新的seed,由于seed本身是一个成员变量,如果多线程并发生成,这里就会有竞争。生成好新的seed后,再通过位运算生成新的随机值。其他函数类似。

ThreadLocalRandom:
ThreadLocalRandom的构造函数是private的:

static final ThreadLocalRandom instance;
private ThreadLocalRandom() {
}

所以初始seed不能设置,由ThreadLocalRandom类提供。并且,ThreadLocalRandom类是单例模式。在调用其current方法时构造单例,这里首先通过PROBE变量看是否已经为当前thread初始化seed了,如果没有就走localInit逻辑:

static final void localInit() {
int p = probeGenerator.addAndGet(-1640531527);
int probe = p == 0 ? 1 : p;
long seed = mix64(seeder.getAndAdd(-4942790177534073029L));
Thread t = Thread.currentThread();
U.putLong(t, SEED, seed);
U.putInt(t, PROBE, probe);
}

public static ThreadLocalRandom current() {
if (U.getInt(Thread.currentThread(), PROBE) == 0) {
localInit();
}

return instance;
}

localInit方法会调用mix64方法生成初始seed,然后将seed放入thread实例的变量里,同时设置probe标记位。所以每一个thread都有自己的seed。这里的seed和probe是通过unsafe包里的方法直接设置的:

private static final Unsafe U;
private static final long SEED;
private static final long PROBE;

U = Unsafe.getUnsafe();
SEED = U.objectFieldOffset(Thread.class, "threadLocalRandomSeed");
PROBE = U.objectFieldOffset(Thread.class, "threadLocalRandomProbe");

在ThreadLocalRandom类里通过unsafe的方法获得了这两个实例变量的迁移量,这样就可以直接通过偏移量设置变量的值了。为什么是这种方式?还有待探究。

另外,Thread类里其实有这两个实例变量:

public class Thread implements Runnable {
@Contended("tlr")
long threadLocalRandomSeed;
@Contended("tlr")
int threadLocalRandomProbe;
@Contended("tlr")
int threadLocalRandomSecondarySeed;
}

再看下,生成int随机数的逻辑:

public int nextInt() {
return mix32(this.nextSeed());
}

private static int mix32(long z) {
z = (z ^ z >>> 33) * -49064778989728563L;
return (int)((z ^ z >>> 33) * -4265267296055464877L >>> 32);
}
final long nextSeed() {
Thread t;
long r;
U.putLong(t = Thread.currentThread(), SEED, r = U.getLong(t, SEED) + -7046029254386353131L);
return r;
}

先调用了nextSeed方法生成新seed,由于seed是线程独有的,不需要再像Random那样cas了,直接计算并设置新的seed即可。新的seed是在老的seed的基础上加了一个偏移。然后随机数根据新的seed并调用mix32方法生成新随机数。
 

标签:Java,ThreadLocalRandom,int,Random,long,生成,seed
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