闲聊Java里的随机数

 

现实世界里有随机事件，数字世界里有随机数。随机似乎是一个魔法，充满了谜团。读多了科幻小说，就会妄想世间的一切都是可被计算的，所谓的随机，只是因为一个事件涉及的因素庞杂，以人类目前的认知和分析能力，无法穷究一切因素，所以就称她的发生是随机的。

扯远了。。。

我们主要是想了解下随机数，一般我们谈到的随机数是指具有随机性的数，即这些随机数组成的序列不具有统计学偏差。

第一次使用随机数是大学的一次课程练习，要求写一个掷筛子的小程序，记得当时用的是Math.random()方法，觉得神奇无比。

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

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

可以看到Math.random()做了个包装，最终还是生成一个 Random 对象，再调用 Random 对象的方法。看来在Java里，生成随机数都是用的java.util.Random类。

以 Random 类中的nextInt()方法为例，她是如何生成随机数的呢？源码是这样的

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;
}

生成随机数的参数是程序里预设的，并且结合系统当前时间，然后运用数学计算倒腾过去倒腾过来，把人搞晕之后得到一个数。

到此，我们看到程序里生成的随机数，是采用线性同余法生成的

// 我是线性同余法
R0 = (A * seed + C) mod M
R1 = (A * R0 + C) mod M
…

而线性同余法生成的数，并不是真正意义上的随机数，她具有一个周期，可被预测。现实世界里有很多随机事件，而在程序的世界里，其实都是假的随机事件，称之为伪随机。这里就叫伪随机数。

看来当年还真是 too young，too simple。