Java並行程式設計ThreadLocalRandom類詳解

2022-06-10 18:00:26

為什麼需要ThreadLocalRandom

java.util.Random一直都是使用比較廣泛的亂數生成工具類，而且java.lang.Math中的亂數生成也是使用的java.util.Random範例。

我們下面看一下java.util.Random的使用方法：

import java.util.Random;
public class code_4_threadRandom {
    public static void main(String[] args) {

        Random random = new Random();
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(
                    random.nextInt(5)
            );
        }
    }
}

亂數的生成需要一個預設的種子，這個種子是一個long型別的數位，這可以通過建立Random物件時通過建構函式指定，如果不指定則在預設建構函式內部生成一個預設值。

public int nextInt(int bound) {
//引數檢查
    if (bound <= 0)
        throw new IllegalArgumentException(BadBound);
//根據老的種子生成新的種子
    int r = next(31);
    int m = bound - 1;
    if ((bound & m) == 0)  // i.e., bound is a power of 2
    //根據新種子生成新的亂數
        r = (int)((bound * (long)r) >> 31);
    else {
        for (int u = r;
             u - (r = u % bound) + m < 0;
             u = next(31);
    }
    return r;
}

由上面程式碼可見，一個新的亂數生成需要兩個步驟：首先根據老的種子生成新的種子，然後根據新的種子來計算新的亂數。如果在單執行緒的情況下每次呼叫nextInt都是根據老的種子計算出新的種子。但是在多執行緒下多個執行緒都可能都拿到同一個老的種子去生成新種子，這回導致多個執行緒生成的新亂數是相同的。我們需要當多個執行緒通過同一個老種子計算新種子時，當第一個執行緒的新種子被計算出來後，第二個執行緒要丟棄掉老種子，用第一個執行緒計算出的新種子來計算自己的新種子。在Random類中，物件初始化時的種子就被儲存到了種子原子變數裡。

下面看一下next()的程式碼：

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));
}

在上面程式碼中，通過CAS操作來更新種子，在多執行緒情況下，多個執行緒同時計算亂數來計算新的種子，多個執行緒會競爭同一個原子變數的更新操作，會造成大量執行緒進行自旋重試，降低並行效能。所以ThreadLocalRandom應運而生。

ThreadRandom原理詳解

import java.util.Random;
public class code_4_threadLocalRandom {
    public static void main(String[] args) {
        Random random = new ThreadLocalRandom.current();
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(
                    random1.nextInt(5)
            );
        }
    }
}

如果每個執行緒都維護一個種子變數，則每個執行緒生成亂數時都根據自己老的種子計算新的種子，並使用新的種子更新老種子，再根據新種子計算亂數，這就不會存在競爭問題了。ThreadLocalRandom 類繼承了 Random 類並重寫了 nextlnt方法，在 ThreadLocalRandom 類中並沒有使用繼承自Random 類的原子性種子變數。

在ThreadLocalRandom中並沒有存放具體的種子，具體的種子存放在具體的呼叫執行緒的 threadLocalRandomSeed 變數裡面。ThreadLocalRandom 類似於 ThreadLocal 類，就是個工具類。當執行緒呼叫 ThreadLocalRandom的current 方法時，ThreadLocalRandom 負責初始化呼叫執行緒的threadLocalRandomSeed 變數，也就是初始化種子。當調用 ThreadLocalRandom 的 nextInt 方法時，實際上是獲取當前線程的threadLocalRandomSeed 變數作為當前種子來計算新的種子，然後更新新的種子到當前執行緒的threadLocalRandomSeed 變數，而後再根據新種子並使用具體演演算法計算亂數。這裡需要注意的是，threadLocalRandomSeed 變數就是 Thread 類裡面的一個普通 long 變數，它並不是原子性變數。其實道理很簡單，因為這個變數是執行緒級別的，所以根本不需要使用原子性變數。

變數instance是ThreadLocalRandom的一個範例，該變數是static的。當多執行緒通過ThreadLocalRandom的current方法獲取ThreadLocalRandom的範例時，其實是同一個範例。但是由於具體的種子是存放線上程裡面的，所以在ThreadLocalRandom的範例裡面只包含與執行緒無關的通用演演算法，所以它是執行緒安全的。

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