浅谈Java中随机数的几种实现方式

众所周知,随机数是任何一种编程语言最基本的特征之一。

而生成随机数的基本方式也是相同的:产生一个0到1之间的随机数。

看似简单,但有时我们也会忽略了一些有趣的功能。

我们从书本上学到什么?

最明显的,也是直观的方式,在Java中生成随机数只要简单的调用:


java.lang.Math.random()


在所有其他语言中,生成随机数就像是使用Math工具类,如abs, pow, floor, sqrt和其他数学函数。

大多数人通过书籍、教程和课程来了解这个类。

一个简单的例子:从0.0到1.0之间可以生成一个双精度浮点数。

那么通过上面的信息,开发人员要产生0.0和10.0之间的双精度浮点数会这样来写:


Math.random() * 10


而产生0和10之间的整数,则会写成:


Math.round(Math.random() * 10)


进阶

通过阅读Math.random()的源码,或者干脆利用IDE的自动完成功能,开发人员可以很容易发 现,java.lang.Math.random()使用一个内部的随机生成对象 - 一个很强大的对象可以灵活的随机产生:布尔值、所有数字类型,甚至是高斯分布。

例如:


new java.util.Random().nextInt(10)


它有一个缺点,就是它是一个对象。

它的方法必须是通过一个实例来调用,这意味着必须先调用它的构造函数。

如果在内存充足的情况下,像上面的表达式是可以接受的;但内存不足时,就会带来问题。

一个简单的解决方案,可以避免每次需要生成一个随机数时创建一个新实例,那就是使用一个静态类。

猜你可能想到了java.lang.Math,很好,我们就是改良java.lang.Math的初始化。

虽然这个工程量低,但你也要做一些简单的单元测试来确保其不会出错。

假设程序需要生成一个随机数来存储,问题就又来了。

比如有时需要操作或保护种子(seed),一个内部数用来存储状态和计算下一个随机数。

在这些特殊情况下,共用随机生成对象是不合适的。

并发

在Java EE多线程应用程序的环境中,随机生成实例对象仍然可以被存储在类或其他实现类,作为一个静态属性。

幸运的是,java.util.Random是线程安全的,所以不存在多个线程调用会破坏种子(seed)的风险。

另一个值得考虑的是多线程java.lang.ThreadLocal的实例。

偷懒的做法是通过Java本身API实现单一实例,当然你也可以确保每一个线程都有自己的一个实例对象。

虽然Java没有提供一个很好的方法来管理java.util.Random的单一实例。

但是,期待已久的Java 7提供了一种新的方式来产生随机数:


java.util.concurrent.ThreadLocalRandom.current().nextInt(10)


这个新的API综合了其他两种方法的优点:单一实例/静态访问,就像Math.random()一样灵活。

ThreadLocalRandom也比其他任何处理高并发的方法要更快。

经验

Chris Marasti-Georg 指出:


Math.round(Math.random() * 10)


使分布不平衡,例如:0.0 - 0.499999将四舍五入为0,而0.5至1.499999将四舍五入为1。

那么如何使用旧式语法来实现正确的均衡分布,如下:


Math.floor(Math.random() * 11)


幸运的是,如果我们使用java.util.Random或java.util.concurrent.ThreadLocalRandom就不用担心上述问题了。

Java实战项目里面介绍了一些不正确使用java.util.Random API的危害。

这个教训告诉我们不要使用:


Math.abs(rnd.nextInt())%n


而使用:


rnd.nextInt(n)


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