JAVA中生成随機數Random VS ThreadLocalRandom性能比較

前言

大家項目中如果有生成随機數的需求，我想大多都會選擇使用Random來實作，它内部使用了CAS來實作。 實際上，JDK1.7之後，提供了另外一個生成随機數的類ThreadLocalRandom，那麼他們二者之間的性能是怎麼樣的呢？

Random的使用

Random類是JDK提供的生成随機數的類， 這個類不是随機的，而是僞随機的。什麼是僞随機呢？ 僞随機是指生成的随機數是有一定規律的，這個規律出現的周期因僞随機算法的優劣而異。 一般來說，周期比較長，但可以預見。 我們可以通過以下代碼簡單地使用 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範圍内的随機數，
• nextInt(int bound)會計算[0，bound) 之間的随機數，左閉右開。

實作原理

Random類的構造函數如下圖所示：

• 可以看到在構造方法中，根據目前時間seed生成了一個AtomicLong類型的seed。

public int nextInt() {
    return next(32);
}
           

• 這裡面直接調用了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的目前值，通過一定的規則（僞随機）計算出下一個seed，然後進行CAS。 如果CAS失敗，繼續循環上述操作。 最後根據我們需要的位數傳回。

小結：可以看出在next(int bits)方法中，對AtomicLong進行了CAS操作，如果失敗則循環重試。 很多人一看到CAS，因為不需要加鎖，第一時間就想到了高性能、高并發。 但是在這裡，卻成為了我們多線程并發性能的瓶頸。 可以想象，當我們有多個線程執行CAS時，隻有一個線程一定會失敗，其他的會繼續循環執行CAS操作。 當并發線程較多時，性能就會下降。

ThreadLocalRandom的使用

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

實作原理

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不再是全局變量了。 我們的線程中有三個變量：

/** 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：這是我們用來控制随機數的種子。
• threadLocalRandomProbe：這個就是ThreadLocalRandom，用來控制初始化。
• threadLocalRandomSecondarySeed：這是二級種子。

關鍵代碼如下：

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

可以看出，由于每個線程都維護自己的seed，是以此時不需要CAS，直接進行put。 這裡通過線程間的隔離來減少并發沖突，是以ThreadLocalRandom的性能非常高。

性能對比

通過基準工具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();
   }
	
}
           

運作結果如下圖所示，最左邊是并發線程的數量：

顯而易見，無論線程數量是多少，ThreadLocalRandom性能是遠高于Random。

總結

本文講解了JDK中提供的兩種生成随機數的方式，一個是JDK 1.0引入的Random類，另外一個是JDK1.7引入的ThreadLocalRandom類，由于底層的實作機制不同，ThreadLocalRandom的性能是遠高于Random，建議後面大家在技術選型的時候優先使用ThreadLocalRandom。