前言
學習 ThreadLocalRandom 的時候遇到一些疑惑，爲何使用它在多線程下會產生相同的隨機數？
閱讀源碼後終於稍微瞭解了一些它的運行機制，總結出它在多線程下正確的用法，特此記錄。
ThreadLocalRandom的用處
在多線程下，使用 java.util.Random 產生的實例來產生隨機數是線程安全的，但深挖 Random 的實現過程，會發現多個線程會競爭同一 seed 而造成性能降低。
其原因在於：
Random 生成新的隨機數需要兩步：
- 根據老的
seed生成新的seed - 由新的
seed計算出新的隨機數
其中，第二步的算法是固定的，如果每個線程併發地獲取同樣的 seed，那麼得到的隨機數也是一樣的。爲了避免這種情況，Random 使用 CAS 操作保證每次只有一個線程可以獲取並更新 seed，失敗的線程則需要自旋重試。
因此，在多線程下用 Random 不太合適，爲了解決這個問題，出現了 ThreadLocalRandom，在多線程下，它爲每個線程維護一個 seed 變量，這樣就不用競爭了。
但是我在使用的時候，發現 ThreadLocalRandom 在多線程下產生了相同的隨機數，這是怎麼回事呢？
ThreadLocalRandom多線程下產生相同隨機數
來看一下產生相同隨機數的示例代碼：
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
public class ThreadLocalRandomDemo {
private static final ThreadLocalRandom RANDOM =
ThreadLocalRandom.current();
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Player().start();
}
}
private static class Player extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println(getName() + ": " + RANDOM.nextInt(100));
}
}
}
運行該代碼，結果如下：
Thread-0: 4
Thread-1: 4
Thread-2: 4
Thread-3: 4
Thread-4: 4
Thread-5: 4
Thread-6: 4
Thread-7: 4
Thread-8: 4
Thread-9: 4
爲此，我閱讀了 ThreadLocalRandom 的源碼，從中找到了端倪。
先是靜態 current() 方法：
public static ThreadLocalRandom current() {
//如果線程第一次調用 current() 方法，執行 localInit()方法
if (UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE) == 0)
localInit();
return instance;
}
初始化方法 localInit()中，爲線程初始化了 seed，並保存在 UNSAFE 裏，這裏 UNSAFE 的方法是 native 方法，我不太瞭解，但並不影響理解。可以把這裏的操作看作是初始化了 seed，把線程和 seed 以鍵值對的形式保存起來。
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);
}
當要生成隨機數的時候，調用 nextInt() 方法：
public int nextInt(int bound) {
if (bound <= 0)
throw new IllegalArgumentException(BadBound);
//第一處
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;
}
這裏主要關注 第一處 的 nextSeed() 方法：
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;
}
好了，問題來了！這裏返回的值是 r = UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA，是從 UNSAFE 裏取出來的。但問題是，這裏取出來的值對不對？或者說，能否取出來？
回到示例代碼，我們在主線程調用了 TreadLocalRandom 的 current() 方法，該方法把主線程和主線程的 seed 存入了 UNSAFE。
接下來，我們在非主線程調用 nextInt()，但非主線程和 seed 的鍵值對之前並沒有存入 UNSAFE 。但我們卻從 UNSAFE 裏取非主線程的 seed 值，雖然我不知道取出來的 seed 到底是什麼，但肯定不是多線程下想要的結果，而這也導致了多線程下產生的隨機數是重複的。
那麼在多線程下如何正確地使用 ThreadLocalRandom 呢？
ThreadLocalRandom多線程下正確用法
結合上述分析，正確地使用 ThreadLocalRandom，肯定需要給每個線程初始化一個 seed，那就需要調用 ThreadLocalRandom.current() 方法。
那麼有個疑問，在每個線程裏都調用 ThreadLocalRandom.current()，會產生多個 ThreadLocalRandom 實例嗎？
不會的，見源碼：
/** The common ThreadLocalRandom */
static final ThreadLocalRandom instance = new ThreadLocalRandom();
/**
* Returns the current thread's {@code ThreadLocalRandom}.
*
* @return the current thread's {@code ThreadLocalRandom}
*/
public static ThreadLocalRandom current() {
if (UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE) == 0)
localInit();
return instance;
}
放心大膽地使用。
於是示例代碼改動如下：
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
public class ThreadLocalRandomDemo {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Player().start();
}
}
private static class Player extends Thread {
@Override
public void run() {
System.out.println(getName() + ": " + ThreadLocalRandom.current().nextInt(100));
}
}
}
運行一下，可以得到想要的結果：
Thread-0: 90
Thread-3: 77
Thread-2: 97
Thread-5: 96
Thread-4: 42
Thread-1: 3
Thread-6: 4
Thread-7: 6
Thread-8: 52
Thread-9: 39
總結一下，在多線程下使用 ThreadLocalRandom 產生隨機數時，直接使用 ThreadLocalRandom.current(100)
參考
https://segmentfault.com/q/1010000010292276
https://blog.csdn.net/zhailuxu/article/details/79073439
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