C# Random类的正确应用

Random类介绍

Random类一个用于产生伪随机数字的类。这里的伪随机表示有随机性但是可以基于算法模拟出随机规律。
Random类的构造方式有两种。

• Random r= new Random()。会以当前系统时间作为默认种子构建一个随机序列
• Random r = new Random(unchecked((int)DateTime.Now.Ticks));。自定义一个种子，通常会使用时间Ticks。

随机性保证

由于Random的伪随机性，所以如果多个Random随机序列生成的时间间隔很短（官方说法15ms内），那么他们产生的随机数会大概率相同。如下列代码

    /// <summary>
    /// 错误的Random构建。
    /// </summary>
    public static void Bad_Random()
    {
        //正确做法应当将 Random构建防止循环外。
        //Random创建间隔时间极短的情况下，随机算法序列会基本一致，倒是随机性也是一致的
        //var r = new Random();
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            var r = new Random();
            var val = r.Next(1, 100);
            Console.WriteLine(val);
        }
    }

运行结果：

所以在生产中通常可以考虑将Random单例化，以保证其随机算法的序列独一性。这也是官方推荐的方式。

Instead of instantiating individual Random objects, we recommend that you create a single Random instance to generate all the random numbers needed by your app. 

这个问题在.net core下官方组件已对Random的构建作优化，所以上面的案例代码如果放在.net core项目下运行，你会发现可以正确的生成随机数。有兴趣的小伙伴可以自己尝试一下。不过为了代码的延续性，还是建议Random作为单例模式设计。

那么将Random设计为单例是否就解决了随机性的问题了呢，这时候就涉及到另外一个问题，Random不是线程安全的。如下列代码

    /// <summary>
    /// 生成一个10位随机数
    /// 设定了一定的复杂性，保证单线程下随机数不重复
    /// </summary>
    /// <param name="random">Random.</param>
    /// <returns>随机数.</returns>
    private static string GenerateRandomStr(Random random)
    {
        string source = "ABCDEFGHIKLMNOPQRTUVWXYZabcdefghiklmnopqrtuvwxyz";
        int length = 10;
        var list = Enumerable.Repeat(source, length)
             .Select(s => s[random.Next(s.Length)]).ToArray();
        return new string(list);
    }
    /// <summary>
    /// 单线程基本可以保证唯一性
    /// </summary>
    public static void Good_Random_In_SingleThread()
    {
        //正确做法应当将 Random构建防止循环外。
        //Random创建间隔时间极短的情况下，随机算法序列会基本一致，倒是随机性也是一致的
        var r = new Random();
        ConcurrentBag<string> list = new ConcurrentBag<string>();
        for (int i = 0; i < 20000; i++)
        {
            var val = GenerateRandomStr(r);
            list.Add(val);
        }

        Console.WriteLine($"单线程下重复数据有：{20000 - list.Distinct().Count()}");
    }

    /// <summary>
    /// 多线程下的Random构建。
    /// Bad案例，Random非线程安全
    /// 多线程高并发情况下，会出现概率重复
    /// </summary>
    public static void Bad_Random_In_MultThreads()
    {
        var r = new Random(unchecked((int)DateTime.Now.Ticks));
        ConcurrentBag<string> list = new ConcurrentBag<string>();

        var t1 = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var val = GenerateRandomStr(r);
                list.Add(val);
            }
        });

        var t2 = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var val = GenerateRandomStr(r);
                list.Add(val);
            }
        });

        Task.WaitAll(t1, t2);

        Console.WriteLine($"线程1和线程2的重复数据有：{20000 - list.Distinct().Count()}");
    }

运行结果：

这种重复率在生产环境上是不可接受的。那么产生的原因是什么呢？根源还是在伪随机和线程不安全上。我们可以想象下，一个Random实例中基于随机算法产生的一个随机数序列，在单线程下pop出一个随机数，然后指向下一个随机数。而在高并发的多线程情况下，指向下一个随机数的动作还未完成时，另一个线程又来请求pop,这样相同的随机数被重复pop了。

网上有很多多线程下Random的解决方案，我查阅了一些感觉都不是很好。以下是我的解决方案。用到了 ThreadLocal。这个类详细的作用大家可以自己去查阅，这里大家只需要知道这个类可以保证它包含的对象只能线程内独享。简单说，同一类型对象 每个线程都独有一个Random实例互不影响。

    //利用ThreadLocal 实现每个线程下Random独有
    //再通过seed原子性变更，保证每个Random的seed不同而生成的随机数列也不同
    private static int seed = 100;
    private static ThreadLocal<Random> threadLocal = new ThreadLocal<Random>(() => new Random(Interlocked.Increment(ref seed)));

    /// <summary>
    /// 多线程下的Random构建。
    /// </summary>
    public static void Good_Random_In_MultThreads()
    {
        ConcurrentBag<string> list = new ConcurrentBag<string>();

        var t1 = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var val = GenerateRandomStr(threadLocal.Value);
                list.Add(val);
            }
        });

        var t2 = Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var val = GenerateRandomStr(threadLocal.Value);
                list.Add(val);
            }
        });

        Task.WaitAll(t1, t2);

        Console.WriteLine($"[ThreadLocal模式]线程1和线程2的重复数据有：{20000 - list.Distinct().Count()}");
    }

运行结果：

由此可见，基于ThreadLocal的特性，并区别了每个线程下的seed都不一样，从而保证每个Random的随机性也不行一样。

那么到这里Random的随机性问题解决了吗？？
再深入思考下，对于集群部署情况，多台服务器同时运行，上述的Random随机性能保证吗？聪明的小伙伴应该能想到在不同服务器上，由于初始seed相同，可能又导致Random的随机性相同的情况发生。

那么解决方案也很简单，保证每台服务器的初始seed不同即可。这里的解决方案很多，不限于机器编号、IP地址后几位、启动时间（Environment.TickCount）等等。

这样，到这里Random的随机性问题终于可以告一段落了。