Java小白踩坑录 - Random 揭秘

公司年会的抽奖程序，你们准备自己写么？Java 程序员们要小心了，随机数的获取有玄机。

Java 中如何取随机数？

随机数的获取方法有很多种，我们先看看最简单的 2 种吧。

private static final Random rnd = new Random();
//第一种
static int random(int n) {
    return n>=0 ? rnd.nextInt(n) : rnd.nextInt(Math.abs(n));
}
//第二种
static int random2(int n) {
    return Math.abs(rnd.nextInt())%n;
}

大家看看第一种和第二种有什么不同？

不太容易看出来吧？我们来跑个简单的程序看看：

public static void main(String[] args) {
    int n = 1000;
    int di = 0;
    int low = 0;
    for(int i = 0;i < 10_000_000;i++) {
        if(random(n) < Math.abs(n/2)) {
            di++;
        }
        
        if(random2(n) < Math.abs(n/2)) {
            low++;
        }
    }
    System.out.println(di);
    System.out.println(low);
}

发现我们测试了很多数字都是相同的，是不是就认为他们差不多呢。

public static void main(String[] args) {        
    int n = 2*(Integer.MAX_VALUE/3);
    int di = 0;
    int low = 0;
    for(int i=0;i<10_000_000;i++) {
        if(random(n)<Math.abs(n/2)) {
            di++;
        }
        
        if(random2(n)<Math.abs(n/2)) {
            low++;
        }
    }
    System.out.println(di);
    System.out.println(low);
}

运行数据看结果就会发现：

• random 的数据比较均匀；

• random2 的数据差不多 2/3 落到前半部分，后半部分只有 1/3。

究根追底

nextInt() 这个方法看起来可能不错，但是存在三个缺点。

第一个缺点是： 如果 n 是比较小的 2 的乘方，经过一段相当短的周期之后，它产生的随机数将会重复。

第二个缺点是：如果 n 不是 2 的乘方，那么平均起来，有些数就会比其它的数出现的更频繁。特别是 n 比较大，这个缺点就非常明显。这就是为什么 2*(Integer.MAX_VALUE/3) 中有用2乘的原因。

第三个缺点是：在极少数情况下，会返回一个落在指定范围之外的数或者报错。示例如下：

public static void main(String[] args) {
    int n=Integer.MIN_VALUE;
    int di=0;
    int low=0;
    for(int i=0;i<10_000_000;i++) {
        if(random(n)<Math.abs(n/2)) {
            di++;
        }
        
        if(random2(n)<Math.abs(n/2)) {
            low++;
        }
    }
    System.out.println(di);
    System.out.println(low);
}

报错原因 Math.abs() 碰到 Integer.MIN_VALUE 时会返回 Integer.MIN_VALUE。在 abs 的方法说明中有这么一段话：

Note that if the argument is equal to the value of {@link Integer#MIN_VALUE}, the most negative representable{@code int} value, the result is that same value, which is negative.

即注意：Math.abs() 方法中，如果输入值为 Integer.MIN_VALUE，那么会返回同样的结果。

另一方面，也可以看看 abs 的代码实现来理解

public static int abs(int a) { return (a < 0) ? -a : a; }

假设 a=Integer.MIN_VALUE 即 -2147483648(0x80000000)，假设返回 int 的值 2147483648 会发生溢出，因为 int 的最大值为 2147483647(0x7fffffff)，溢出后又变成了 0x80000000，即 Integer.MIN_VALUE

源码详细描述如下：

/**
 * Returns the absolute value of an {@code int} value.
 * If the argument is not negative, the argument is returned.
 * If the argument is negative, the negation of the argument is returned.
 *
 * <p>Note that if the argument is equal to the value of
 * {@link Integer#MIN_VALUE}, the most negative representable
 * {@code int} value, the result is that same value, which is
 * negative.
 *
 * @param a the argument whose absolute value is to be determined
 * @return the absolute value of the argument.
 */
 public static int abs(int a) {
 	return (a < 0) ? -a : a;
 }

Java 类库提供了一个带 seed 的方法来解决上面的问题，就是 Random.nextInt(n)。

总结

随机数的生成器涉及了很多算法的相关知识，幸运的是，我们并不需要自己来做这些工作，我们可以利用现成的成果为我们所用，如 Random.nextInt(n) 或者 java.security.SecureRandom，或者第三方的 API。注意：我们尽量使用类库，而不是自己去开发。

Linux 系统有 /dev/random,/dev/urandom 向用户提供真随机数。