Java 生成隨機數的 5 種方式,你知道幾種?
1.Math.random() 靜態方法
產生的隨機數是 0 - 1 之間的一個 double,即 0 <= random <= 1。
使用:
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(Math.random());
}
結果:
0.3598613895606426 0.2666778145365811 0.25090731064243355 0.011064998061666276 0.600686228175639 0.9084006027629496 0.12700524654847833 0.6084605849069343 0.7290804782514261 0.9923831908303121
實現原理:
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.
當第一次呼叫 Math.random() 方法時,自動建立了一個偽隨機數生成器,實際上用的是 new java.util.Random()。當接下來繼續呼叫 Math.random() 方法時,就會使用這個新的偽隨機數生成器。
原始碼如下:
public static double random() { Random rnd = randomNumberGenerator; if (rnd == null) rnd = initRNG(); // 第一次呼叫,建立一個偽隨機數生成器 return rnd.nextDouble(); } private static synchronized Random initRNG() { Random rnd = randomNumberGenerator; return (rnd == null) ? (randomNumberGenerator = new Random()) : rnd; // 實際上用的是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,因此在多執行緒情況下,只有一個執行緒會負責建立偽隨機數生成器(使用當前時間作為種子),其他執行緒則利用該偽隨機數生成器產生隨機數。Java生成隨機數的幾種高階用法,這篇推薦看一下。
因此 Math.random() 方法是執行緒安全的。
什麼情況下隨機數的生成執行緒不安全:
- 執行緒1在第一次呼叫 random() 時產生一個生成器 generator1,使用當前時間作為種子。
- 執行緒2在第一次呼叫 random() 時產生一個生成器 generator2,使用當前時間作為種子。
- 碰巧 generator1 和 generator2 使用相同的種子,導致 generator1 以後產生的隨機數每次都和 generator2 以後產生的隨機數相同。
什麼情況下隨機數的生成執行緒安全:
Math.random() 靜態方法使用
-
執行緒1在第一次呼叫 random() 時產生一個生成器 generator1,使用當前時間作為種子。
-
執行緒2在第一次呼叫 random() 時發現已經有一個生成器 generator1,則直接使用生成器 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());
}
}
}
結果:
Thread-1: 0.8043581595645333 Thread-0: 0.9338269554390357 Thread-1: 0.5571569413128877 Thread-0: 0.37484586843392464
2.java.util.Random 工具類
基本演算法:linear congruential pseudorandom number generator (LGC) 線性同餘法偽隨機數生成器缺點:可預測
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. 從輸出中可以很容易計算出種子值。It is shown that you can predict future Random outputs observing only two(!) output values in time roughly 2^16. 因此可以預測出下一個輸出的隨機數。You should never use an LCG for security-critical purposes.在注重資訊保安的應用中,不要使用 LCG 演算法生成隨機數,請使用 SecureRandom。
使用:
Random random = new Random();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(random.nextInt());
}
結果:
-24520987 -96094681 -952622427 300260419 1489256498
Random類預設使用當前系統時鐘作為種子:
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類提供的方法:API
- nextBoolean() - 返回均勻分佈的 true 或者 false
- nextBytes(byte[] bytes)
- nextDouble() - 返回 0.0 到 1.0 之間的均勻分佈的 double
- nextFloat() - 返回 0.0 到 1.0 之間的均勻分佈的 float
- nextGaussian()- 返回 0.0 到 1.0 之間的高斯分佈(即正態分佈)的 double
- nextInt() - 返回均勻分佈的 int
- nextInt(int n) - 返回 0 到 n 之間的均勻分佈的 int (包括 0,不包括 n)
- nextLong() - 返回均勻分佈的 long
- setSeed(long seed) - 設定種子
只要種子一樣,產生的隨機數也一樣: 因為種子確定,隨機數演算法也確定,因此輸出是確定的!
Random random1 = new Random(10000);
Random random2 = new Random(10000);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(random1.nextInt() + " = " + random2.nextInt());
}
結果:
-498702880 = -498702880 -858606152 = -858606152 1942818232 = 1942818232 -1044940345 = -1044940345 1588429001 = 1588429001
3.java.util.concurrent.ThreadLocalRandom 工具類
ThreadLocalRandom 是 JDK 7 之後提供,也是繼承至 java.util.Random。
private static final ThreadLocal<ThreadLocalRandom> localRandom =
new ThreadLocal<ThreadLocalRandom>() {
protected ThreadLocalRandom initialValue() {
return new ThreadLocalRandom();
}
};
每一個執行緒有一個獨立的隨機數生成器,用於併發產生隨機數,能夠解決多個執行緒發生的競爭爭奪。效率更高!關注公眾號Java技術棧回覆 java 獲取更多 Java 工具類教程。
ThreadLocalRandom 不是直接用 new 例項化,而是第一次使用其靜態方法 current() 得到 ThreadLocal
使用:
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() + ": " + ThreadLocalRandom.current().nextDouble());
}
}
}
結果:
Thread-0: 0.13267085355389086 Thread-1: 0.1138484950410098 Thread-0: 0.17187774671469858 Thread-1: 0.9305225910262372
4.java.Security.SecureRandom
也是繼承至 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. 作業系統收集了一些隨機事件,比如滑鼠點選,鍵盤點選等等,SecureRandom 使用這些隨機事件作為種子。
SecureRandom 提供加密的強隨機數生成器 (RNG),要求種子必須是不可預知的,產生非確定性輸出。SecureRandom 也提供了與實現無關的演算法,因此,呼叫方(應用程式程式碼)會請求特定的 RNG 演算法並將它傳回到該演算法的 SecureRandom 物件中。
- 如果僅指定演算法名稱,如下所示:SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
- 如果既指定了演算法名稱又指定了包提供程式,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());
}
結果:
704046703 != 2117229935 60819811 != 107252259 425075610 != -295395347 682299589 != -1637998900 -1147654329 != 1418666937
5.隨機字串
可以使用 Apache Commons-Lang 包中的 RandomStringUtils 類。Maven 依賴如下:
<dependency>
<groupId>commons-lang</groupId>
<artifactId>commons-lang</artifactId>
<version>2.6</version>
</dependency>
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 類的實現上也是依賴了 java.util.Random 工具類:
RandomStringUtils 類的定義
參考:
- http://yangzb.iteye.com/blog/325264
- http://stackoverflow.com/questions/11051205/difference-between-java-util-random-and-java-security-securerandom
作者:專職跑龍套
連結:https://www.jianshu.com/p/2f6acd169202