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关于java:java并发高的情况下用ThreadLocalRandom来生成随机数

jiezi

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一：简述
二：Random 的性能差在哪里
三：ThreadLocalRandom 的简略应用
四：为什么 ThreadLocalRandom 能在保障线程平安的状况下还能有不错的性能

一：简述
如果咱们想要生成一个随机数，通常会应用 Random 类。然而在并发状况下 Random 生成随机数的性能并不是很现实，明天给大家介绍一下 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 无关，而为了保障线程安全性，Random 通过 CAS 机制来保障线程安全性。从 next() 办法中咱们能够发现 seed 是通过自旋锁和 CAS 来进行批改值的。如果在高并发的场景下，那么可能会导致 CAS 一直失败，从而导致一直自旋，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 的简略应用
应用的办法很简略，通过 ThreadLocalRandom.current()获取到 ThreadLocalRandom 实例，而后通过 nextInt()，nextLong()等办法获取一个随机数。

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);
}

运行后果：

四：为什么 ThreadLocalRandom 能在保障线程平安的状况下还能有不错的性能
咱们能够看一下 ThreadLocalRandom 的代码实现。

首先咱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();

咱们能够看到 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);
    }
}

能够看到 Thread 类中的确有这三个属性

Thread 类：

@sun.misc.Contended("tlr")
// 以后 Thread 的随机种子 默认值是 0
long threadLocalRandomSeed;
 
/** Probe hash value; nonzero if threadLocalRandomSeed initialized */
@sun.misc.Contended("tlr")
// 用来标记以后 Thread 的 threadLocalRandomSeed 是否进行了初始化 0 代表没有，非 0 代表曾经初始化 默认值是 0
int threadLocalRandomProbe;
 
/** Secondary seed isolated from public ThreadLocalRandom sequence */
@sun.misc.Contended("tlr")
// 以后 Thread 的二级随机种子 默认值是 0
int threadLocalRandomSecondarySeed;

接下来咱们看 ThreadLocalRandom.current()办法。

ThreadLocalRandom.current()

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

首先通过 UNSAFE 类获取以后线程的 Thread 对象的 threadLocalRandomProbe 属性，看随机种子是否曾经初始化。没有初始化，那么调用 localInit()办法进行初始化

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

localInit()

localInit()办法的作用就是初始化随机种子，能够看到代码很简略，就是通过 UNSAFE 类对以后 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()办法为例，看 ThreadLocalRandom 是如何生成到随机数的。咱们能够看出随机数正是通过 nextSeed()办法获取到随机种子，而后通过随机种子而生成。所以重点看 nextSeed()办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()办法的作用是获取随机种子，代码很简略，就是通过 UNSAFE 类获取以后线程的 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 为什么线程平安？是因为它将随机种子保留在以后 Thread 对象的 threadLocalRandomSeed 变量中，这样每个线程都有本人的随机种子，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 来保障随机种子的线程安全性。在高并发的场景下，效率也会绝对较高。

注: 各位有没有发现 ThreadLocalRandom 保障线程平安的形式和 ThreadLocal 有点像呢

须要留神的点：

1.ThreadLocalRandom 是单例的。

2. 咱们每个线程在获取随机数之前都须要调用一下 ThreadLocalRandom.current()来初始化以后线程的随机种子。

3. 了解 ThreadLocalRandom 须要对 UnSafe 类有所理解，它是 Java 提供的一个能够间接通过内存对变量进行获取和批改的一个工具类。java 的 CAS 也是通过这个工具类来实现的。

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