Java随机数

本章先讲解Java随机数的几种产生方式，然后通过示例对其进行演示。

广义上讲，Java中的随机数的有三种产生方式：
(01). 通过System.currentTimeMillis()来获取一个当前时间毫秒数的long型数字。
(02). 通过Math.random()返回一个0到1之间的double值。
(03). 通过Random类来产生一个随机数，这个是专业的Random工具类，功能强大。

第1种

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通过System.currentTimeMillis()来获取随机数。实际上是获取当前时间毫秒数，它是long类型。使用方法如下：

final long l = System.currentTimeMillis();

若要获取int类型的整数，只需要将上面的结果转行成int类型即可。比如，获取[0, 100)之间的int整数。方法如下：

final long l = System.currentTimeMillis();
final int i = (int)( l % 100 );

第2种

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通过Math.random()来获取随机数。实际上，它返回的是0(包含)到1(不包含)之间的double值。使用方法如下：

final double d = Math.random();

若要获取int类型的整数，只需要将上面的结果转行成int类型即可。比如，获取[0, 100)之间的int整数。方法如下：

final double d = Math.random();
final int i = (int)(d*100);

Math.random()；方法执行的本质是调用Random.nextDouble()方法；这里来看一个Math.random()的源码：

private static Random randomNumberGenerator;  //定义一个Random的私有的静态的变量
// 对Random进行初始化操作
private static synchronized Random initRNG() { 
    Random rnd = randomNumberGenerator;
    return (rnd == null) ? (randomNumberGenerator = new Random()) : rnd;
}

public static double random() {
    Random rnd = randomNumberGenerator;
    if (rnd == null) rnd = initRNG();
    return rnd.nextDouble();
}
对上述源码进行简单解析：首先定义一个private static 的Random变量，这样所有的Math对象都可以共享这个类变量，而且只用初始化一次就可以，
　　　　执行random()方法的时候，首先判断类random变量是否已经被赋值，如果为null，则进行初始化操作，（初始化过程用Synchronized进行同步，适用于多线程环境）；
　　　　如果对象不为null，说明已经完成了初始化操作，那么直接调用random的nextDouble()方法。
如果只涉及到单线程的话，这个操作等价于Random random = new Random(); return random.nextDouble();

第3种

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通过Random类来获取随机数。

使用方法如下：
(01) 创建Random对象。有两种方法可以创建Random对象，如下：

Random random = new Random();//默认构造方法
Random random = new Random(1000);//指定种子数字

(02) 通过Random对象获取随机数。Random支持的随机值类型包括：boolean, byte, int, long, float, double。
比如，获取[0, 100)之间的int整数。方法如下：

int i2 = random.nextInt(100);

Random 的函数接口

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// 构造函数(一)： 创建一个新的随机数生成器。
Random()
// 构造函数(二)： 使用单个 long 种子创建一个新随机数生成器： public Random(long seed) { setSeed(seed); } next 方法使用它来保存随机数生成器的状态。
Random(long seed) 

boolean nextBoolean()         // 返回下一个“boolean类型”伪随机数。
void    nextBytes(byte[] buf) // 生成随机字节并将其置于字节数组buf中。
double  nextDouble()          // 返回一个“[0.0, 1.0) 之间的double类型”的随机数。
float   nextFloat()           // 返回一个“[0.0, 1.0) 之间的float类型”的随机数。
int     nextInt()             // 返回下一个“int类型”随机数。
int     nextInt(int n)        // 返回一个“[0, n) 之间的int类型”的随机数。
long    nextLong()            // 返回下一个“long类型”随机数。
synchronized double nextGaussian()   // 返回下一个“double类型”的随机数，它是呈高斯（“正常地”）分布的 double 值，其平均值是 0.0，标准偏差是 1.0。
synchronized void setSeed(long seed) // 使用单个 long 种子设置此随机数生成器的种子。

接口源码实现：

//最基本的方法，所有的随机数生成方法都调用了他,同时可以看到，Random采用的种子是AtomicLong类型的原子类，next方法来进行求解的时候使用了CAS机制保证了操作的原子类与线程安全性

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));
}

//nextInt()调用了next(32)方法

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

//nextInt(n)调用了next(31)方法，然后对n取余，这样就可以求得[0，n)之内的随机数了
public int nextInt(int n) {
    if (n <= 0)
        throw new IllegalArgumentException("n must be positive");

    if ((n & -n) == n)  // i.e., n is a power of 2
        return (int)((n * (long)next(31)) >> 31);

    int bits, val;
    do {
        bits = next(31);
        val = bits % n;
    } while (bits - val + (n-1) < 0);
    return val;
}

//调用了next(32),然后左移32位，在加上next(32)
public long nextLong() {
    // it's okay that the bottom word remains signed.
    return ((long)(next(32)) << 32) + next(32);
}

//调用了next(1),判断结果是否是0来生成true还是false
public boolean nextBoolean() {
    return next(1) != 0;
}

//调用了next(24)
public float nextFloat() {
    return next(24) / ((float)(1 << 24));
}

//调用了next(26)与next(27)

public double nextDouble() {
    return (((long)(next(26)) << 27) + next(27))
        / (double)(1L << 53);
}

note:Random是线程安全的，用AtomicLong原子类以及CAS机制保证了操作的原子性，在进行种子设置的时候采用synchronized保证了操作的同步性，
　　　　但是多线程环境中，不建议采用Random方法，影响性能，建议采用java.util.concurrent.ThreadLocalRandom类，如果强调加密的安全性，
　　　　建议使用java.security.SecureRandom.

获取随机数示例

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下面通过示例演示上面3种获取随机数的使用方法。
源码如下(RandomTest.java)：

 1 import java.util.Random;
 2 import java.lang.Math;
 3
 4 /**
 5  * java 的随机数测试程序。共3种获取随机数的方法：
 6  *   (01)、通过System.currentTimeMillis()来获取一个当前时间毫秒数的long型数字。
 7  *   (02)、通过Math.random()返回一个0到1之间的double值。
 8  *   (03)、通过Random类来产生一个随机数，这个是专业的Random工具类，功能强大。
 9  *
10  * @author skywang
11  * @email kuiwu-wang@163.com
12  */
13 public class RandomTest{
14
15     public static void main(String args[]){
16
17         // 通过System的currentTimeMillis()返回随机数
18         testSystemTimeMillis();
19
20         // 通过Math的random()返回随机数
21         testMathRandom();
22
23         // 新建“种子为1000”的Random对象，并通过该种子去测试Random的API
24         testRandomAPIs(new Random(1000), " 1st Random(1000)");
25         testRandomAPIs(new Random(1000), " 2nd Random(1000)");
26         // 新建“默认种子”的Random对象，并通过该种子去测试Random的API
27         testRandomAPIs(new Random(), " 1st Random()");
28         testRandomAPIs(new Random(), " 2nd Random()");
29     }
30
31     /**
32      * 返回随机数-01：测试System的currentTimeMillis()
33      */
34     private static void testSystemTimeMillis() {
35         // 通过
36         final long l = System.currentTimeMillis();
37         // 通过l获取一个[0, 100)之间的整数
38         final int i = (int)( l % 100 );
39
40         System.out.printf("\n---- System.currentTimeMillis() ----\n l=%s i=%s\n", l, i);
41     }
42
43
44     /**
45      * 返回随机数-02：测试Math的random()
46      */
47     private static void testMathRandom() {
48         // 通过Math的random()函数返回一个double类型随机数，范围[0.0, 1.0)
49         final double d = Math.random();
50         // 通过d获取一个[0, 100)之间的整数
51         final int i = (int)(d*100);
52
53         System.out.printf("\n---- Math.random() ----\n d=%s i=%s\n", d, i);
54     }
55
56
57     /**
58      * 返回随机数-03：测试Random的API
59      */
60     private static void testRandomAPIs(Random random, String title) {
61         final int BUFFER_LEN = 5;
62
63         // 获取随机的boolean值
64         boolean b = random.nextBoolean();
65         // 获取随机的数组buf[]
66         byte[] buf = new byte[BUFFER_LEN];
67         random.nextBytes(buf);
68         // 获取随机的Double值，范围[0.0, 1.0)
69         double d = random.nextDouble();
70         // 获取随机的float值，范围[0.0, 1.0)
71         float f = random.nextFloat();
72         // 获取随机的int值
73         int i1 = random.nextInt();
74         // 获取随机的[0,100)之间的int值
75         int i2 = random.nextInt(100);
76         // 获取随机的高斯分布的double值
77         double g = random.nextGaussian();
78         // 获取随机的long值
79         long l = random.nextLong();
80
81         System.out.printf("\n---- %s ----\nb=%s, d=%s, f=%s, i1=%s, i2=%s, g=%s, l=%s, buf=[",
82                 title, b, d, f, i1, i2, g, l);
83         for (byte bt:buf)
84             System.out.printf("%s, ", bt);
85         System.out.println("]");
86     }
87 }