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【Java零碎知识点】----- java.util.Random 与 Math.random()

news 2025/11/5 8:38:18

一、`java.util.Random`：面向对象的随机数生成器

1.1 基本用法

Random 是 java.util 包中的一个类，用于生成伪随机数。它提供了丰富的 API，支持多种数据类型的随机值生成。

import java.util.Random;Random rand = new Random();int i = rand.nextInt();           // 任意 int 范围内的整数
int j = rand.nextInt(100);        // [0, 100) 的整数（0 到 99）
long l = rand.nextLong();         // 随机 long
float f = rand.nextFloat();       // [0.0f, 1.0f) 的 float
double d = rand.nextDouble();     // [0.0, 1.0) 的 double
boolean b = rand.nextBoolean();   // true 或 false

1.2 种子（Seed）机制

Random 的核心特性之一是可重现性，这依赖于“种子（seed）”机制。

构造方法：
- new Random()：使用当前系统时间（纳秒）作为默认种子。
- new Random(long seed)：使用指定的长整型值作为种子。

Random r1 = new Random(123);
Random r2 = new Random(123);System.out.println(r1.nextInt()); // 例如：-1193959466
System.out.println(r2.nextInt()); // 同样：-1193959466

关键点：只要种子相同，Random 实例生成的随机数序列就完全一致。这是“伪随机数生成器（PRNG）”的本质——确定性算法 + 初始状态 = 可预测序列。

这一特性在单元测试、算法调试、游戏关卡复现等场景中极为有用。

1.3 内部实现简析

Random 内部使用 线性同余生成器（Linear Congruential Generator, LCG） 算法（具体为 java.util.Random 使用的是 48 位 LCG 变种）。

每次调用 nextInt() 等方法时，内部状态（一个 48 位的种子）会按固定公式更新。
输出值由该状态的高位或低位截取而来。
算法简单、速度快，但周期有限（约 2^48），且不具备密码学安全性。

1.4 线程安全性

Random 不是线程安全的。

多个线程共享同一个 Random 实例时，内部状态可能被并发修改，导致：
- 生成重复值；
- 序列混乱；
- 极端情况下状态损坏。

虽然某些 JVM 实现中 nextInt() 等方法加了 synchronized（如早期 HotSpot），但官方文档明确指出：不应依赖其线程安全性。

正确做法：

每个线程使用自己的 Random 实例；
或改用 ThreadLocalRandom（但本文聚焦于 Random 和 Math.random()）。

1.5 性能特点

初始化快；
单次调用开销极低（纳秒级）；
适合高频、单线程场景。

二、`Math.random()`：静态便捷方法

2.1 基本用法

Math.random() 是 java.lang.Math 类中的一个静态方法，返回一个 double 类型的值：

double d = Math.random(); // 返回 [0.0, 1.0) 范围内的 double

若需生成整数，需手动转换：

// 生成 [0, 100) 的整数
int num = (int) (Math.random() * 100);// 生成 [1, 10] 的整数
int dice = (int) (Math.random() * 10) + 1;

2.2 内部实现机制

很多人误以为 Math.random() 是“原生”的随机函数，其实它底层完全依赖 java.util.Random。

查看 JDK 源码（以 OpenJDK 为例）：

private static final class RandomNumberGeneratorHolder {static final Random randomNumberGenerator = new Random();
}public static double random() {return RandomNumberGeneratorHolder.randomNumberGenerator.nextDouble();
}

Math.random() 内部持有一个 静态的、单例的 Random 实例；
首次调用时初始化该实例；
后续所有调用都复用这个实例。

三、对比总结：`Random` vs `Math.random()`

特性	`java.util.Random`	`Math.random()`
返回类型	支持 int、long、float、double、boolean	仅 double
指定范围	直接支持（如 `nextInt(100)`）	需手动计算（`(int)(Math.random()*100)`）
种子控制	✅ 支持（可重现序列）	❌ 不支持
线程安全	❌ 非线程安全	✅ 线程安全（内部同步）
性能（单线程）	⚡ 极快	快（首次有初始化开销）
性能（多线程）	快（若每个线程独立实例）	❌ 慢（锁竞争）
使用复杂度	稍高（需创建对象）	极简（直接调用）
适用场景	通用、测试、需要多种类型或种子控制	简单脚本、教学、低频单线程随机