🆚 Random 함수 비교

 

숫자야구 프로그램을 만들면서 Java에서 제공하는 Random 함수들이 어떤 것들이 있는지 궁금하고 어떤 것을 사용해야할지 궁금했다.

 

1️⃣ java.util.Random

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💡 java.util 패키지에 있는 Random 클래스를 사용하는 방법
 - 인스턴스를 생성해서 사용 

 

🖥️ 사용

• 2가지 객체 생성 방법
  • 기본 생성자를 사용하는 방법
  • long 타입의 시드를 인자로 받는 생성자를 사용하는 방법

// 기본 생성자
Random random = new Random();

// long 타입의 시드를 인자로 받는 생성자
Random random = new Random(10);

// 난수 범위 지정
int randomNumber = random.nextInt(max - min) + min;

 

⚠️ 주의할 점

• long 타입의 seed 값을 설정해 Random 클래스를 사용할 때 주의할 점이 존재

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    Random random = new Random(10);
    for (int j = 0; j < 5; j++) {
        System.out.print(random.nextInt() + " ");
    }
    System.out.println();
}

 

결과

-1157793070 1913984760 1107254586 1773446580 254270492 
-1157793070 1913984760 1107254586 1773446580 254270492 
-1157793070 1913984760 1107254586 1773446580 254270492 
-1157793070 1913984760 1107254586 1773446580 254270492 
-1157793070 1913984760 1107254586 1773446580 254270492

동일한 seed 값을 갖는 인스턴스가 생성한 난수는 일정 패턴을 가지게 된다…!

 

 

🤔 why?

유사 난수 생성기(pseudo-random-generator)를 통해 실제로 무작위가 아닌 일련의 숫자를 생성하게 된다.

public Random(long seed) {
    if (getClass() == Random.class)
        this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
    else {
        // subclass might have overridden setSeed
        this.seed = new AtomicLong();
        setSeed(seed);
    }
}

private static long initialScramble(long seed) {
    return (seed ^ multiplier) & mask;
}

• 특정 알고리즘으로 생성된 값을 반환하게 되는 것이다.

 

 

❗ seed 값을 설정하지 않은 경우는 현재 시간을 활용한다.

public Random() {
    this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}

 

⚠️ 멀티 쓰레드에서 위험

java.util.Random 은 멀티 쓰레드에서 하나의 Random 인스턴스를 공유하여 전역으로 사용된다.

 

이때, 같은 시간에 멀티 쓰레드에서 요청이 들어온다면❓

• 같은 난수를 반환하지는 않는다.
• 하지만, 여러 쓰레드가 경합을 하는 과정을 반복하게 되어 성능상의 문제가 발생할 수 있다.

 

2️⃣ Math.random 메서드

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💡 Math.random 메서드는 객체 생성 없이 바로 사용할 수 있는 정적 메서드

 

📍 반환 값

• 0.0 ≤ .. ≤ 1.0 보다 작은 double 형 값
• 현재 시간을 seed 값 으로 사용해 매 실행마다 다른 난수가 반환된다.

 

🖥️ 사용

// 0.0보다 크거나 같고 1.0보다 작은 값
double randomNumber = Math.random(); 

// min값보다 크거나 같고 max값보다 작은 난수
int randomNumber = (int) (Math.random() * (max - min)) + min);

 

📖 정적 메서드

• 인스턴스 생성 없이 호출 가능

 

3️⃣ ThreadLocalRandom

💡 ThreadLocalRandom
- 현재 스레드에 격리된 난수 생성기
- ThreadLocal 클래스와 Random 클래스의 조합
- java.util.concurrent.ThreadLocalRandom

 

public class ThreadLocalRandom extends Random {
	  ...
    public void setSeed(long seed) {
        // only allow call from super() constructor
        if (initialized)
            throw new UnsupportedOperationException();
    }
		...
}

 

💡 특징

• Math.random 메서드와 마찬가지로 수정할 수 없는 내부 생성 seed 로 초기화
  • setSeed 메서드를 재정의하여 호출된 경우 UnsupportedOperationException 예외 호출
• 동시 프로그램에서 Random 클래스를 사용한 것보다 일반적으로 오버헤드와 경합이 적다.
  • 스레드 풀에서 난수를 병렬로 사용시 적절
• 암호적으로 안전하지 않다. 보안에 민감한 응용프로그램에서는 SecureRandom을 사용하는 것을 고려

 

🆚 Random 클래스

다중 스레드 환경에서 두 클래스(Random, ThreadLocalRandom)를 사용해 임의의 값을 생성하고 JMH를 사용해 성능을 비교해보기.

@State(Scope.Benchmark)
public class Sample {

    private static final int N = 1000;

    @Benchmark
    public void testRandom(Blackhole blackhole) {
        Random random = new Random();
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            int result = random.nextInt();
            blackhole.consume(result);
        }
    }

    @Benchmark
    public void testThreadLocalRandom(Blackhole blackhole) {
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            int result = ThreadLocalRandom.current().nextInt();
            blackhole.consume(result);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        org.openjdk.jmh.Main.main(args);
    }
}

 

결과(results.txt)

Benchmark                      Mode  Cnt       Score   Error  Units
Sample.testRandom             thrpt       105661.179          ops/s
Sample.testThreadLocalRandom  thrpt       294349.298          ops/s

• ThreadLocalRandom을 사용했을 경우 더 효율적으로 동작!!

 

📖 JMH

• JVM 위에서 동작하는 코드의 성능을 측정해주는 라이브러리
• 간단한 코드나 여러 코드의 상대적 성능을 측정할 때 간단히 사용

 

🖥️ 사용

int randomNumber = ThreadLocalRandom.current().nextInt());

// 1과 10 사이의 난수
int boundedRandomValue = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 10);

 

4️⃣ SecureRandom

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• java.security.SecureRandom
• 더 강력한 의사난수 생성기를 이용해 난수를 생성

 

🖥️ 사용

SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();

int randomInt = secureRandom.nextInt();

// 1과 10 사이의 난수
randomInt = secureRandom.nextInt(10 - 1) + 1

 

🆚 Random

1. Random 클래스는 시스템 시간을 시드로 사용하거나 시드를 생성
   • SecureRandom은 OS의 무작위 데이터를 가져와 시드로 사용한다.
2. 48비트를 갖는 Random과 다르게 SecureRandom은 최대 128비트를 포함한다.
   • 반복될 확률이 적다.
3. 내부에서 다양한 난수 생성과정을 거쳐 Random 클래스보다 느리다

 

📕 참고자료

ThreadLocalRandom (Java Platform SE 8 )

Guide to ThreadLocalRandom in Java | Baeldung

JMH: Java Benchmark Tool

GitHub - openjdk/jmh: https://openjdk.org/projects/code-tools/jmh

[Java] JMH(Java Microbenchmark Harness) 로 성능 벤치마킹

Random 대신 ThreadLocalRandom을 써야 하는 이유