第3章 Java并发包中的ThreadLocalRandom类原理剖析
目录
Random类及其局限性
一般情况下,我们都会使用java.util.Random来生成随机数(Math.random()也是使用Random实例生成随机数)。
示例
public static void main(String[] args) { Random random = new Random(); for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(random.nextInt(10)); } }
分析
下面以nextInt(int bound) 方法为例来分析Random的源码
public int nextInt(int bound) { //边界检测 if (bound <= 0) throw new IllegalArgumentException(BadBound); //获取下一随机数 int r = next(31); //(*)此处以特定算法根据r计算出最终结果 ... return r; } protected int next(int bits) { long oldseed, nextseed; AtomicLong seed = this.seed; //CAS操作更新seed do { oldseed = seed.get(); //根据老的种子计算新的种子 nextseed = (oldseed * multiplier + addend) & mask; } while (!seed.compareAndSet(oldseed, nextseed)); return (int)(nextseed >>> (48 - bits)); }
由此可见,生成新的随机数需要两步:
- 根据老的种子生成新的种子
- 由新的种子计算出新的随机数
单线程下每次调用nextInt都会根据老的种子计算出新的种子,可以保证随机性。
但多线程下,不同线程可能拿着同一个老的种子去计算新种子,如果next方法因此返回相同的值的话,由于(*)处的算法是固定的,这会导致不同线程生成相同的随机数,这并非我们想要的。所以next方法使用CAS操作保证每次只有一个线程可以更新老的种子,失败的线程则重新获取,这样就解决了上述问题。
但这样处理仍有一个缺陷:当多个线程同时计算随机数来计算新的种子时,多个线程会竞争同一个原子变量的更新操作,由于该操作为CAS操作,同时只有一个线程会成功,这样会造成大量的自旋重试,导致并发性能降低。而ThreadLocalRandom可以完美解决此问题。
ThreadLocalRandom
示例
public static void main(String[] args) { Random random = ThreadLocalRandom.current(); for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(random.nextInt(10)); } }
原理
Random的缺点在于多个线程会使用同一个原子性变量,从而导致对原子变量的竞争;而ThreadLocalRandom保证每个线程都维护一个种子变量,每个线程根据自己老的种子生成新的种子,避免了竞争问题,大大提高了并发性能。
源码分析
static final ThreadLocalRandom instance = new ThreadLocalRandom(); public static ThreadLocalRandom current() { //检测是否初始化过 //PROBE为Thread类中threadLocalRandomProb偏移 if (UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE) == 0) localInit(); return instance; } 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(); //SEED为Thread类中threadLocalRandomSeed内存偏移 UNSAFE.putLong(t, SEED, seed); UNSAFE.putInt(t, PROBE, probe); }
如果线程中第一次调用current()方法,则调用localInit()进行初始化设置当前线程中的threadLocalRandomProb和threadLocalRandomSeed变量。
下面来看int nextInt(int bound)方法
public int nextInt(int bound) { if (bound <= 0) throw new IllegalArgumentException(BadBound); //根据当前Thread中的threadLocalRandomSeed变量生成新种子 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; } final long nextSeed() { Thread t; long r; //生成并存入新种子 UNSAFE.putLong(t = Thread.currentThread(), SEED, r = UNSAFE.getLong(t, SEED) + GAMMA); return r; }
如上,首先调用nextSeed()根据当前Thread中的threadLocalRandomSeed变量生成并存入新种子,然后经过特定算法得出了nextInt的值。
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