JAVA中生成隨機數Random VS ThreadLocalRandom效能比較

JAVA旭陽發表於2022-12-14
Java隨機randomthread

前言

大家專案中如果有生成隨機數的需求，我想大多都會選擇使用Random來實現，它內部使用了CAS來實現。 實際上，JDK1.7之後，提供了另外一個生成隨機數的類ThreadLocalRandom，那麼他們二者之間的效能是怎麼樣的呢？

Random的使用

Random類是JDK提供的生成隨機數的類， 這個類不是隨機的，而是偽隨機的。什麼是偽隨機呢？ 偽隨機是指生成的隨機數是有一定規律的，這個規律出現的週期因偽隨機演算法的優劣而異。 一般來說，週期比較長，但可以預見。 我們可以透過以下程式碼簡單地使用 Random：

Random中有很多方法。 這裡我們就分析比較常見的nextInt()和nextInt(int bound)方法。

  • nextInt()會計算int範圍內的隨機數，
  • nextInt(int bound)會計算[0，bound) 之間的隨機數，左閉右開。

實現原理

Random類的建構函式如下圖所示：

  • 可以看到在構造方法中，根據當前時間seed生成了一個AtomicLong型別的seed。
public int nextInt() {
    return next(32);
}
  • 這裡面直接呼叫了next()方法，傳入了32，這裡的32是指Int的位數。
protected int next(int bits) {
    long oldseed, nextseed;
    AtomicLong seed = this.seed;
    do {
        oldseed = seed.get();
        nextseed = (oldseed * multiplier + addend) & mask;
    } while (!seed.compareAndSet(oldseed, nextseed));
    return (int)(nextseed >>> (48 - bits));
}
  • 這裡會根據seed的當前值，透過一定的規則（偽隨機）計算出下一個seed，然後進行CAS。 如果CAS失敗，繼續迴圈上述操作。 最後根據我們需要的位數返回。

小結：可以看出在next(int bits)方法中，對AtomicLong進行了CAS操作，如果失敗則迴圈重試。 很多人一看到CAS，因為不需要加鎖，第一時間就想到了高效能、高併發。 但是在這裡，卻成為了我們多執行緒併發效能的瓶頸。 可以想象，當我們有多個執行緒執行CAS時，只有一個執行緒一定會失敗，其他的會繼續迴圈執行CAS操作。 當併發執行緒較多時，效能就會下降。

ThreadLocalRandom的使用

JDK1.7之後，提供了一個新類ThreadLocalRandom來替代Random。

實現原理

我們先來看下current()方法。

public static ThreadLocalRandom current() {
    if (UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE) == 0)
        localInit();
    return instance;
}
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);
}
  • 如果沒有初始化，先進行初始化，這裡我們的seed不再是全域性變數了。 我們的執行緒中有三個變數：
/** The current seed for a ThreadLocalRandom */
@sun.misc.Contended("tlr")
long threadLocalRandomSeed;

/** Probe hash value; nonzero if threadLocalRandomSeed initialized */
@sun.misc.Contended("tlr")
int threadLocalRandomProbe;

/** Secondary seed isolated from public ThreadLocalRandom sequence */
@sun.misc.Contended("tlr")
int threadLocalRandomSecondarySeed;
  • threadLocalRandomSeed：這是我們用來控制隨機數的種子。
  • threadLocalRandomProbe：這個就是ThreadLocalRandom，用來控制初始化。
  • threadLocalRandomSecondarySeed：這是二級種子。

關鍵程式碼如下：

UNSAFE.putLong(t = Thread.currentThread(), SEED,r=UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA);

可以看出，由於每個執行緒都維護自己的seed，所以此時不需要CAS，直接進行put。 這裡透過執行緒間的隔離來減少併發衝突，所以ThreadLocalRandom的效能非常高。

效能對比

透過基準工具JMH測試：

@BenchmarkMode({Mode.AverageTime})
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@Warmup(iterations=3, time = 5, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations=3,time = 5)
@Threads(4)
@Fork(1)
@State(Scope.Benchmark)
public class Myclass {
   Random random = new Random();
   ThreadLocalRandom threadLocalRandom = ThreadLocalRandom.current();

   @Benchmark
   public int measureRandom(){
       return random.nextInt();
   }
   @Benchmark
   public int threadLocalmeasureRandom(){
       return threadLocalRandom.nextInt();
   }
	
}

執行結果如下圖所示，最左邊是併發執行緒的數量：

顯而易見，無論執行緒數量是多少，ThreadLocalRandom效能是遠高於Random。

總結

本文講解了JDK中提供的兩種生成隨機數的方式，一個是JDK 1.0引入的Random類，另外一個是JDK1.7引入的ThreadLocalRandom類，由於底層的實現機制不同，ThreadLocalRandom的效能是遠高於Random，建議後面大家在技術選型的時候優先使用ThreadLocalRandom。

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