Java 随机数

1. Math.random() 静态方法

产生的随机数是 0 - 1 之间的一个 double，即 0 <= random <= 1。
使用：

  1. for (int i = 0; i < 10; i++) {
  2.   System.out.println(Math.random());
  3. }

结果：

0.3598613895606426 0.2666778145365811 0.25090731064243355 0.011064998061666276 0.600686228175639 0.9084006027629496 0.12700524654847833 0.6084605849069343 0.7290804782514261 0.9923831908303121

实现原理：

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.

当第一次调用 Math.random() 方法时，自动创建了一个伪随机数生成器，实际上用的是 new java.util.Random()。当接下来继续调用 Math.random() 方法时，就会使用这个新的伪随机数生成器。
源码如下：

  1. public static double random() {
  2.     Random rnd = randomNumberGenerator;
  3.     if (rnd == null) rnd = initRNG(); // 第一次调用，创建一个伪随机数生成器
  4.     return rnd.nextDouble();
  5. }
  6. private static synchronized Random initRNG() {
  7.     Random rnd = randomNumberGenerator;
  8.     return (rnd == null) ? (randomNumberGenerator = new Random()) : rnd; // 实际上用的是new java.util.Random()
  9. }

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，因此在多线程情况下，只有一个线程会负责创建伪随机数生成器（使用当前时间作为种子），其他线程则利用该伪随机数生成器产生随机数。
因此 **Math.random()** 方法是线程安全的。
什么情况下随机数的生成线程不安全：

  • 线程1在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator1，使用当前时间作为种子。
  • 线程2在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator2，使用当前时间作为种子。
  • 碰巧 generator1 和 generator2 使用相同的种子，导致 generator1 以后产生的随机数每次都和 generator2 以后产生的随机数相同。

什么情况下随机数的生成线程安全： Math.random() 静态方法使用

  • 线程1在第一次调用 random() 时产生一个生成器 generator1，使用当前时间作为种子。
  • 线程2在第一次调用 random() 时发现已经有一个生成器 generator1，则直接使用生成器 generator1。
    1. public class JavaRandom {
    2.   public static void main(String args[]) {
    3.       new MyThread().start();
    4.       new MyThread().start();
    5.   }
    6. }
    7. class MyThread extends Thread {
    8.   public void run() {
    9.       for (int i = 0; i < 2; i++) {
    10.           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + Math.random());
    11.       }
    12.   }
    13. }
    结果：

    Thread-1: 0.8043581595645333 Thread-0: 0.9338269554390357 Thread-1: 0.5571569413128877 Thread-0: 0.37484586843392464

2. java.util.Random 工具类

基本算法：linear congruential pseudorandom number generator (LGC) 线性同余法伪随机数生成器缺点：可预测

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. 从输出中可以很容易计算出种子值。It is shown that you can predict future Random outputs observing only two(!) output values in time roughly 2^16. 因此可以预测出下一个输出的随机数。You should never use an LCG for security-critical purposes.在注重信息安全的应用中，不要使用 LCG 算法生成随机数，请使用 SecureRandom。

使用：

  1. Random random = new Random();
  2. for (int i = 0; i < 5; i++) {
  3.     System.out.println(random.nextInt());
  4. }

结果：

-24520987 -96094681 -952622427 300260419 1489256498

**Random**类默认使用当前系统时钟作为种子:

  1. public Random() {
  2.     this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
  3. }
  4. public Random(long seed) {
  5.     if (getClass() == Random.class)
  6.         this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
  7.     else {
  8.         // subclass might have overriden setSeed
  9.         this.seed = new AtomicLong();
  10.         setSeed(seed);
  11.     }
  12. }

Random类提供的方法：API

  • nextBoolean() - 返回均匀分布的 true 或者 false
  • nextBytes(byte[] bytes)
  • nextDouble() - 返回 0.0 到 1.0 之间的均匀分布的 double
  • nextFloat() - 返回 0.0 到 1.0 之间的均匀分布的 float
  • nextGaussian()- 返回 0.0 到 1.0 之间的高斯分布（即正态分布）的 double
  • nextInt() - 返回均匀分布的 int
  • nextInt(int n) - 返回 0 到 n 之间的均匀分布的 int （包括 0，不包括 n）
  • nextLong() - 返回均匀分布的 long
  • setSeed(long seed) - 设置种子

只要种子一样，产生的随机数也一样： 因为种子确定，随机数算法也确定，因此输出是确定的！

  1. Random random1 = new Random(10000);
  2. Random random2 = new Random(10000);
  3. for (int i = 0; i < 5; i++) {
  4.     System.out.println(random1.nextInt() + " = " + random2.nextInt());
  5. }

结果：

-498702880 = -498702880 -858606152 = -858606152 1942818232 = 1942818232 -1044940345 = -1044940345 1588429001 = 1588429001

3. java.util.concurrent.ThreadLocalRandom 工具类

ThreadLocalRandom 是 JDK 7 之后提供，也是继承至 **java.util.Random**。

  1. private static final ThreadLocal<ThreadLocalRandom> localRandom =
  2.     new ThreadLocal<ThreadLocalRandom>() {
  3.         protected ThreadLocalRandom initialValue() {
  4.             return new ThreadLocalRandom();
  5.         }
  6. };

每一个线程有一个独立的随机数生成器，用于并发产生随机数，能够解决多个线程发生的竞争争夺。效率更高！
ThreadLocalRandom 不是直接用 new 实例化，而是第一次使用其静态方法 current() 得到 ThreadLocal<ThreadLocalRandom> 实例，然后调用 java.util.Random 类提供的方法获得各种随机数。
使用：

  1. public class JavaRandom {
  2.     public static void main(String args[]) {
  3.         new MyThread().start();
  4.         new MyThread().start();
  5.     }
  6. }
  7. class MyThread extends Thread {
  8.     public void run() {
  9.         for (int i = 0; i < 2; i++) {
  10.             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + ThreadLocalRandom.current().nextDouble());
  11.         }
  12.     }
  13. }

结果：

Thread-0: 0.13267085355389086 Thread-1: 0.1138484950410098 Thread-0: 0.17187774671469858 Thread-1: 0.9305225910262372

4. java.Security.SecureRandom

也是继承至 **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. 操作系统收集了一些随机事件，比如鼠标点击，键盘点击等等，SecureRandom 使用这些随机事件作为种子。

SecureRandom 提供加密的强随机数生成器 (RNG)，要求种子必须是不可预知的，产生非确定性输出。SecureRandom 也提供了与实现无关的算法，因此，调用方（应用程序代码）会请求特定的 RNG 算法并将它传回到该算法的 SecureRandom 对象中。

  • 如果仅指定算法名称，如下所示：SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
  • 如果既指定了算法名称又指定了包提供程序，如下所示：SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG", "SUN");

使用：

  1. SecureRandom random1 = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
  2. SecureRandom random2 = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
  3. for (int i = 0; i < 5; i++) {
  4.     System.out.println(random1.nextInt() + " != " + random2.nextInt());
  5. }

结果：

704046703 != 2117229935 60819811 != 107252259 425075610 != -295395347 682299589 != -1637998900 -1147654329 != 1418666937

5. Apache Commons-Lang 包生成随机字符串

可以使用 Apache Commons-Lang 包中的 RandomStringUtils 类。Maven 依赖如下：

  1. <dependency>
  2.     <groupId>commons-lang</groupId>
  3.     <artifactId>commons-lang</artifactId>
  4.     <version>2.6</version>
  5. </dependency>

API 参考：https://commons.apache.org/proper/commons-lang/javadocs/api-2.6/org/apache/commons/lang/RandomStringUtils.html
示例：

  1. public class RandomStringDemo {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         // Creates a 64 chars length random string of number.
  4.         String result = RandomStringUtils.random(64, false, true);
  5.         System.out.println("random = " + result);
  6.         // Creates a 64 chars length of random alphabetic string.
  7.         result = RandomStringUtils.randomAlphabetic(64);
  8.         System.out.println("random = " + result);
  9.         // Creates a 32 chars length of random ascii string.
  10.         result = RandomStringUtils.randomAscii(32);
  11.         System.out.println("random = " + result);
  12.         // Creates a 32 chars length of string from the defined array of
  13.         // characters including numeric and alphabetic characters.
  14.         result = RandomStringUtils.random(32, 0, 20, true, true, "qw32rfHIJk9iQ8Ud7h0X".toCharArray());
  15.         System.out.println("random = " + result);
  16.     }
  17. }

RandomStringUtils 类的实现上也是依赖了 java.util.Random 工具类：
RandomStringUtils 类的定义

  1. import java.util.Random;
  2. public class RandomStringUtils {
  3.     private static final Random RANDOM= new Random();
  4.     public RandomStringUtils(){
  5.     }
  6. }

6. 并发场景中生成随机字符串-ThreadLocalRandom

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：

  1. 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。