閒聊Java裏的隨機數

現實世界裏有隨機事件，數字世界裏有隨機數。隨機似乎是一個魔法，充滿了謎團。讀多了科幻小說，就會妄想世間的一切都是可被計算的，所謂的隨機，只是因爲一個事件涉及的因素龐雜，以人類目前的認知和分析能力，無法窮究一切因素，所以就稱她的發生是隨機的。

扯遠了。。。

我們主要是想了解下隨機數，一般我們談到的隨機數是指具有隨機性的數，即這些隨機數組成的序列不具有統計學偏差。

第一次使用隨機數是大學的一次課程練習，要求寫一個擲篩子的小程序，記得當時用的是Math.random()方法，覺得神奇無比。

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

// Random 類
public double nextDouble() {
    return (((long)(next(26)) << 27) + next(27)) * DOUBLE_UNIT;
}

可以看到Math.random()做了個包裝，最終還是生成一個 Random 對象，再調用 Random 對象的方法。看來在Java裏，生成隨機數都是用的java.util.Random類。

以 Random 類中的nextInt()方法爲例，她是如何生成隨機數的呢？源碼是這樣的

private final AtomicLong seed;
private static final long multiplier = 0x5DEECE66DL;
private static final long addend = 0xBL;
private static final long mask = (1L << 48) - 1;

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

public Random() {
    this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}

private static long seedUniquifier() {
    // L'Ecuyer, "Tables of Linear Congruential Generators of
    // Different Sizes and Good Lattice Structure", 1999
    for (;;) {
        long current = seedUniquifier.get();
        long next = current * 181783497276652981L;
        if (seedUniquifier.compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

private static final AtomicLong seedUniquifier = new AtomicLong(8682522807148012L);

public Random(long seed) {
    if (getClass() == Random.class)
        this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
    else {
        // subclass might have overriden setSeed
        this.seed = new AtomicLong();
        setSeed(seed);
    }
}

private static long initialScramble(long seed) {
    return (seed ^ multiplier) & mask;
}

生成隨機數的參數是程序裏預設的，並且結合系統當前時間，然後運用數學計算倒騰過去倒騰過來，把人搞暈之後得到一個數。

到此，我們看到程序裏生成的隨機數，是採用線性同餘法生成的

// 我是線性同餘法
R0 = (A * seed + C) mod M
R1 = (A * R0 + C) mod M
…

而線性同餘法生成的數，並不是真正意義上的隨機數，她具有一個週期，可被預測。現實世界裏有很多隨機事件，而在程序的世界裏，其實都是假的隨機事件，稱之爲僞隨機。這裏就叫僞隨機數。

看來當年還真是 too young，too simple。