深入浅析Random类在高并发下的缺陷及JUC对其的优化

Random可以说是每个开发都知道，而且都用的很6的类，如果你说，你没有用过Random，也不知道Random是什么鬼，那么你也不会来到这个技术类型的社区，也看不到我的博客了。但并不是每个人都知道Random的原理，知道Random在高并发下的缺陷的人应该更少。这篇，我就来分析下Random类在并发下的缺陷以及JUC对其的优化。

Random的原理及缺陷

 public static void main(String[] args) {
  Random random = new Random();
  System.out.println(random.nextInt(100));
 }

在学习编程的时候，我一直对JDK开发人员很不解：为什么产生随机数的方法名是：“”nextXXX”？虽然我英语只停留“点头yes，摇头no，来是come，去是go” 的水平，但是我知道next是“下一个”的意思，如果我来命名，会命名为“create”，“generate”，这样不是更“贴切”吗？为什么JDK开发人员会命名为“nextXXX”呢？难道是他们突然“词穷”了，想不出什么单词了，所以干脆随便来一个？后来才知道，原来通过Random生成的随机数，并不是真正的随机，它有一个种子的概念，是根据种子值来计算【下一个】值的，如果种子值相同，那么它生成出来的随机数也必定相等，也就是“确定的输入产生确定的输出”。

如果你不信的话，我们可以来做一个实验：

 public static void main(String[] args) {
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
   Random random = new Random(15);
   System.out.println(random.nextInt(100));
  }
 }

Random类除了提供无参的构造方法以外，还提供了有参的构造方法，我们可以传入int类型的参数，这个参数就被称为“种子”，这样“种子”就固定了，生成的随机数也都是一样了：

让我们简单的看下nextInt的源码把，源码涉及到算法，当然算法不是本篇博客讨论的重点，我们可以把源码简化成如下的样子：

 public int nextInt(int bound) {
  if (bound <= 0)
   throw new IllegalArgumentException(BadBound);
  //1.根据老的种子生成新的种子
  int r = next(31);
  //2.根据新的种子计算随机数
  ...
  return r;
 }

首先是根据老的种子生成新的种子，然后是根据新的种子计算出随机数，nextXXX的核心代码可以被简化这两步。
 现在让我们想一个问题，如果在高并发的情况下，有N个线程，同时执行到第一步：根据老的种子生成新的种子，获得的种子不就一样了吗？由于第二步是根据新的种子来计算随机数，这个算法又是固定的，会产生什么情况？N个线程最终获得的随机数不都一样了吗？显然这不是我们想要的，所以JDK开发人员想到了这点，让我们看看next方法里面做了什么：

protected int next(int bits) {
  long oldseed, nextseed;//定义旧种子，下一个种子
  AtomicLong seed = this.seed;
  do {
   oldseed = seed.get();//获得旧的种子值，赋值给oldseed
   nextseed = (oldseed * multiplier + addend) & mask;//一个神秘的算法
  } while (!seed.compareAndSet(oldseed, nextseed));//CAS，如果seed的值还是为oldseed，就用nextseed替换掉，并且返回true，退出while循环，如果已经不为oldseed了，就返回false，继续循环
  return (int)(nextseed >>> (48 - bits));//一个神秘的算法
 }

1.定义了旧种子oldseed，下一个种子（新种子）nextseed。

2.获得旧的种子的值，赋值给oldseed 。
3.一个神秘的算法，计算出下一个种子（新种子）赋值给nextseed。
4.使用CAS操作，如果seed的值还是oldseed，就用nextseed替换掉，并且返回true，！true为false，退出while循环；如果seed的值已经不为oldseed了，就说明seed的值已经被替换过了，返回false，！false为true，继续下一次while循环。
5.一个神秘的算法，根据nextseed计算出随机数，并且返回。

我们可以看到核心就在第四步，我再来更详细的的描述下，首先要知道seed的类型：
 private final AtomicLong seed;

seed的类型是AtomicLong，是一个原子操作类，可以保证原子性，seed.get就是获得seed具体的值，seed就是我们所谓的种子，也就是种子值保存在了原子变量里面。

当有两个线程同时进入到next方法，会发生如下的事情：

1.线程A，线程B同时拿到了seed的值，赋值给oldseed变量。

2.根据一个神秘的算法，计算出nextseed为XXX。注意，既然这个算法是固定的，那么生成出来的nextseed也必定是固定的。

3.进入while循环：

3.1 线程A，利用CAS算法，发现seed的值还是为oldseed，说明seed的值没有被替换过，就把seed的值替换成第二步生成出来的nextseed，替换成功，返回true，！true为false，退出while循环。
3.2 线程B，利用CAS算法，发现seed的值已经不为oldseed了，因为线程A已经把seed的值替换成了nextseed了啊，所以CAS失败，只能再次循环。再次循环的时候， seed.get()就拿到了最新的种子值，再次根据一个神秘的算法获得了nextSeed，CAS成功，退出循环。

看起来一切很美好，其实不然，如果并发很高，会发生什么？大量的线程都在进行while循环，这是相当占用CPU的，所以JUC推出了ThreadLocalRandom来解决这个问题。

ThreadLocalRandom

首先，让我们来看看ThreadLocalRandom的使用方法：

public static void main(String[] args) {
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
   ThreadLocalRandom threadLocalRandom = ThreadLocalRandom.current();
   System.out.println(threadLocalRandom.nextInt(100));
  }
 }

可以看到使用方式发生了些许的改变，我们来看看ThreadLocalRandom核心代码的实现逻辑：

current

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

有一点需要注意，由于current是一个静态的方法，所以多次调用此方法，返回的ThreadLocalRandom对象是同一个。

如果当前线程的PROBE是0，说明是第一次调用current方法，那么需要调用localInit方法，否则直接返回已经产生的实例。

localInit
  static final void localInit() {
    int p = probeGenerator.addAndGet(PROBE_INCREMENT);
    int probe = (p == 0) ? 1 : p; // skip 0
    long seed = mix64(seeder.getAndAdd(SEEDER_INCREMENT));
    Thread t = Thread.currentThread();
    UNSAFE.putLong(t, SEED, seed);
    UNSAFE.putInt(t, PROBE, probe);
  }

首先初始化probe和seed，随后调用UNSAFE类的方法，把probe和seed设置到当前的线程，这样其他线程就拿不到了。

nextInt
  public int nextInt(int bound) {
    if (bound <= 0)
      throw new IllegalArgumentException(BadBound);
    int r = mix32(nextSeed());
    int m = bound - 1;
    if ((bound & m) == 0) // power of two
      r &= m;
    else { // reject over-represented candidates
      for (int u = r >>> 1;
         u + m - (r = u % bound) < 0;
         u = mix32(nextSeed()) >>> 1)
        ;
    }
    return r;
  }

和Random类下的nextXXX方法的原理一样，也是根据旧的种子生成新的种子，然后根据新的种子来生成随机数，我们来看下nextSeed方法做了什么：

nextSeed
  final long nextSeed() {
    Thread t; long r; // read and update per-thread seed
    UNSAFE.putLong(t = Thread.currentThread(), SEED,
            r = UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA);
    return r;
  }

首先使用UNSAFE.getLong(t, SEED) 来获得当前线程的SEED，随后+上GAMMA来作为新的种子值，随后将新的种子值放到当前线程中。

总结

本文首先简单的分析了Random的实现原理，引出nextXXX方法在高并发下的缺陷：需要竞争种子原子变量。接着介绍了ThreadLocalRandom的使用方法以及原理，从类的命名，就可以看出实现原理类似于ThreadLocal，seed种子是保存在每个线程中的，也是根据每个线程中的seed来计算新的种子的，这样就避免了竞争的问题。