java.util.Random 구현 방법 및 원리 소개

Java 유틸리티 클래스 라이브러리의 java.util.Random 클래스는 다양한 유형의 난수를 생성하는 방법을 제공합니다. 다음 기사에서는 주로 java.util.Random의 구현 원리에 대한 관련 정보를 소개합니다. 소개는 매우 자세하며 도움이 필요한 친구가 참조할 수 있습니다.

Overview

java.util.Random은 int, long, float, double 및 Goussian과 같은 임의의 수의 유형을 생성할 수 있습니다. 이는 double형 난수만 생성하는 java.lang.Math의 Random() 메소드와 가장 큰 차이점이기도 합니다.

이 클래스의 인스턴스는 의사 난수 스트림을 생성하는 데 사용됩니다. 이 클래스는 선형 합동 공식으로 수정된 48비트 시드를 사용합니다. 동일한 시드를 사용하여 Random의 두 인스턴스가 생성되면 각 인스턴스에서 동일한 메서드 호출 시퀀스를 완료하여 동일한 숫자 시퀀스를 생성하고 반환합니다.

예

public class RandomTest {
 public static void main(String[] args) {
 testRandom();
 System.out.println("---------------------");
 testRandom();
 System.out.println("---------------------");
 testRandom();
 }
 
 public static void testRandom(){
 Random random = new Random(1);
 for(int i=0; i<5; i++){
  System.out.print(random.nextInt()+"\t");
 }
 System.out.println("");
 }
}

출력 결과:

결과에서 알 수 있듯이 시드가 동일한 한, 얻은 난수의 순서는 일정합니다. 실제 난수가 아닌 의사 난수를 구현한 것입니다.

랜덤 소스 코드 분석

랜덤 클래스 구조

class Random implements java.io.Serializable {
 private final AtomicLong seed;

 private static final long multiplier = 0x5DEECE66DL;
 private static final long addend = 0xBL;
 private static final long mask = (1L << 48) - 1;
 private static final AtomicLong seedUniquifier = new AtomicLong(8682522807148012L);

매개변수 구성 방법이 있음

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;
}

시드를 전달하면 난수가 생성되는 것을 알 수 있습니다. 시드도 생성된다는 점 난수 시퀀스는 사용할 때마다 다른 시퀀스를 생성하려는 경우 매번 다른 시드만 전달하면 됩니다.

No-parameter construction method

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;
 }
}

소스코드를 통해 우리는 parameter-free 구축 방법이 자동으로 우리를 위해 시드를 생성하고 CAS 스핀 방법을 사용하여 얻은 시드가 보장된다는 것을 확인했습니다. 매번 다르기 때문에 매번 얻은 무작위 시퀀스가 ​​new Random()일관되지 않습니다.

nextInt() 메소드: 정수형 난수 가져오기

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));
}

코드에서 시드가 결정되는 한 매번 생성되는 숫자는 고정된 알고리즘을 사용하여 생성되므로 다음과 같이 찾을 수 있습니다. 시드가 결정되는 한 매번 생성되는 시퀀스는 고정됩니다.

시드가 업데이트될 때마다 CAS를 사용해 업데이트하는데, 동시성이 높은 환경에서는 성능이 문제가 됩니다.

보안 문제

상상해 보세요. 이것이 복권 플랫폼이라면 시드가 결정되는 한 생성되는 시퀀스는 매번 동일할 것입니다. 이러한 방식으로 이 허점을 사용하여 다음 복권 추첨 횟수를 예측할 수 있으며 일부 사람들은 이를 쉽게 악용할 수 있습니다.

jdk에서는 SecureRandom을 사용하여 난수를 생성할 것을 권장합니다.

SecureRandom

SecureRandom은 강력한 난수 생성기입니다. 주요 응용 시나리오는 비밀 키 또는 세션 ID 생성과 같은 보안 목적의 데이터 번호입니다. 약한 난수 생성기의 보안 문제는 모든 사람에게 노출되었으며 SecureRandom과 같은 강력한 난수 생성기를 사용하면 문제의 위험이 크게 줄어듭니다.

강력한 난수를 생성하려면 시드와 알고리즘이라는 두 가지 중요한 요소가 있습니다. 많은 알고리즘이 있을 수 있으며 일반적으로 시드를 선택하는 방법은 매우 중요한 요소입니다. 예를 들어 Random의 시드는 System.currentTimeMillis()이므로 해당 난수는 예측 가능하고 약한 의사 난수입니다.
강력한 의사 난수 생성 아이디어: 다양한 컴퓨터 정보, 키보드 입력 시간, 메모리 사용 상태, 하드 디스크 여유 공간, IO 지연, 프로세스 수, 스레드 수 및 기타 정보, CPU 클럭을 수집하여 주로 예측 불가능성을 달성하기 위해 거의 무작위 시드입니다.

간단히 말하면 암호화 알고리즘을 사용하여 매우 긴 랜덤 시드를 생성하므로 시드를 추측할 수 없으므로 랜덤 시퀀스 번호를 추론할 수 없습니다.

Random 성능 문제

Random 소스 코드에서 우리는 난수를 얻을 때마다 CAS를 사용하여 시드 값을 업데이트한다는 것을 발견했습니다. 이런 식으로 동시성이 높은 환경에서는 CAS 재시도 횟수가 많아져 성능 저하가 발생하게 됩니다. 이때 난수 생성을 위해서는 ThreadLocalRandom 클래스를 사용하는 것이 좋습니다.

ThreadLocalRandom 구현 원칙

Thread 클래스

Thread 클래스에는 threadLocalRandomSeed 속성이 있습니다.

ThreadLocalRandom 구조

SEED 변수는 Thread 객체에 있는 threadLocalRandomSeed의 오프셋입니다.

ThreadLocalRandom.nextSeed() 메소드

이 메소드에서 각 스레드의 시드 값이 Thread 객체의 threadLocalRandomSeed 속성에 저장되어 있음을 알 수 있습니다.

결론

ThreadLocalRandom의 시드가 Thread 객체에 저장되기 때문에 동시성이 높은 Random 객체를 얻을 때 매번 얻은 값이 일치하지 않는지 확인하기 위해 CAS를 사용하지 않습니다.
각 스레드는 자체 시드를 유지합니다. 각 스레드가 난수를 가져와야 할 경우 현재 Thread 개체에서 현재 스레드의 시드를 가져와 성능이 크게 향상됩니다.

위 내용은 java.util.Random 구현 방법 및 원리 소개의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!