java并发高的情况下用ThreadLocalRandom来生成随机数

一：简述

如果我们想要生成一个随机数，通常会使用Random类。但是在并发情况下Random生成随机数的性能并不是很理想，今天给大家介绍一下JUC包中的用于生成随机数的类--ThreadLocalRandom.（本文基于JDK1.8）

二：Random的性能差在哪里

Random随机数生成是和种子seed有关，而为了保证线程安全性，Random通过CAS机制来保证线程安全性。从next()方法中我们可以发现seed是通过自旋锁和CAS来进行修改值的。如果在高并发的场景下，那么可能会导致CAS不断失败，从而导致不断自旋，这样就可能会导致服务器CPU过高。

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));
  }

三：ThreadLocalRandom的简单使用

使用的方法很简单，通过ThreadLocalRandom.current()获取到ThreadLocalRandom实例，然后通过nextInt()，nextLong()等方法获取一个随机数。

代码：

    @Test
  void test() throws InterruptedException {
      new Thread(()->{
          ThreadLocalRandom random = ThreadLocalRandom.current();
          System.out.println(random.nextInt(100));
      }).start();
      new Thread(()->{
          ThreadLocalRandom random = ThreadLocalRandom.current();
          System.out.println(random.nextInt(100));
      }).start();

      Thread.sleep(100);
  }

运行结果：

四：为什么ThreadLocalRandom能在保证线程安全的情况下还能有不错的性能

我们可以看一下ThreadLocalRandom的代码实现。

首先我们很容易看出这是一个饿汉式的单例

    /** Constructor used only for static singleton */
  private ThreadLocalRandom() {
      initialized = true; // false during super() call
  }

  /** The common ThreadLocalRandom */
  static final ThreadLocalRandom instance = new ThreadLocalRandom();

我们可以看到PROBE成员变量代表的是Thread类的threadLocalRandomProbe属性的内存偏移量，SEED成员变量代表的是Thread类的threadLocalRandomSeed属性的内存偏移量，SECONDARY成员变量代表的是Thread类的threadLocalRandomSecondarySeed属性的内存偏移量。

// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long SEED;
private static final long PROBE;
private static final long SECONDARY;
static {
  try {
      UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
      Class<?> tk = Thread.class;
      SEED = UNSAFE.objectFieldOffset
          (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));
      PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset
          (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
      SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset
          (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
  } catch (Exception e) {
      throw new Error(e);
  }
}

可以看到Thread类中确实有这三个属性

Thread类：

    @sun.misc.Contended("tlr")
  //当前Thread的随机种子 默认值是0
  long threadLocalRandomSeed;

  /** Probe hash value; nonzero if threadLocalRandomSeed initialized */
  @sun.misc.Contended("tlr")
  //用来标志当前Thread的threadLocalRandomSeed是否进行了初始化 0代表没有，非0代表已经初始化 默认值是0
  int threadLocalRandomProbe;

  /** Secondary seed isolated from public ThreadLocalRandom sequence */
  @sun.misc.Contended("tlr")
  //当前Thread的二级随机种子 默认值是0
  int threadLocalRandomSecondarySeed;

接下来我们看ThreadLocalRandom.current()方法。

ThreadLocalRandom.current()

ThreadLocalRandom.current()的作用主要是初始化随机种子，并且返回ThreadLocalRandom的实例。

首先通过UNSAFE类获取当前线程的Thread对象的threadLocalRandomProbe属性，看随机种子是否已经初始化。没有初始化，那么调用localInit()方法进行初始化

public static ThreadLocalRandom current() {
      // 获取当前线程的
      if (UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE) == 0)
          localInit();
      return instance;
  }

localInit()

localInit()方法的作用就是初始化随机种子，可以看到代码很简单，就是通过UNSAFE类对当前Thread的threadLocalRandomProbe属性和threadLocalRandomSeed属性进行一个赋值。

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);
  }

接下来以nextInt()方法为例，看ThreadLocalRandom是如何生成到随机数的。我们可以看出随机数正是通过nextSeed()方法获取到随机种子，然后通过随机种子而生成。所以重点看nextSeed()方法是如何获取到随机种子的。

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;
  }

nextSeed()

nextSeed()方法的作用是获取随机种子，代码很简单，就是通过UNSAFE类获取当前线程的threadLocalRandomSeed属性，并且将原来的threadLocalRandomSeed加上GAMMA设置成新的threadLocalRandomSeed。

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;
  }

小结：

ThreadLocalRandom为什么线程安全？是因为它将随机种子保存在当前Thread对象的threadLocalRandomSeed变量中，这样每个线程都有自己的随机种子，实现了线程级别的隔离，所以ThreadLocalRandom也并不需要像Random通过自旋锁和cas来保证随机种子的线程安全性。在高并发的场景下，效率也会相对较高。

注:各位有没有发现ThreadLocalRandom保证线程安全的方式和ThreadLocal有点像呢

需要注意的点：

1.ThreadLocalRandom是单例的。

2.我们每个线程在获取随机数之前都需要调用一下ThreadLocalRandom.current()来初始化当前线程的随机种子。

3.理解ThreadLocalRandom需要对UnSafe类有所了解，它是Java提供的一个可以直接通过内存对变量进行获取和修改的一个工具类。java的CAS也是通过这个工具类来实现的。

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