随机数和线程本地存储

Question

this question 被接受的答案，以及今天工作中的类似讨论让我想知道一些事情。

问题是关于如何在多线程程序中安全地生成随机数。公认的答案主张使用线程本地存储，有效地为每个线程创建一个随机数生成器。我想知道这是否真的是个好主意。

假设我们有两个线程同时启动（在多核系统上很可能）并且都调用默认的Random 构造函数来创建和初始化线程本地存储中的随机数生成器。由于他们没有传递种子参数，Random 使用系统时间作为种子。因此，两个随机数生成器都使用相同的种子进行了初始化。它们都将生成相同的随机数序列。

由于这些线程是从线程池中分配的，因此您无法将特定对象与特定线程相关联。或者，在上述问题的情况下，您无法保证哪个池线程将执行下一个请求。所以想象一下会发生以下情况：

At startup, two requests come in simultaneously.
Two threads are created, each initializing a random number generator with the same seed.

Each thread generates three random numbers.  They will be identical in both threads.

Next request comes in.  It's assigned to thread #1.
It generates a random number and exits.

Some period of time elapses.

Next request comes in.  It's assigned to thread #2.
It generates the same random number that thread #1 did just a while ago.

这可能会无限期地持续下去，尽管我怀疑它会不会那么糟糕。关键是两个线程具有相同的 PRNG，并且重复序列的可能性非常高。我知道PRNG中的P代表“伪”，但这有点多。

我认为多个线程很有可能用相同的种子值初始化Random 实例。如果发生这种情况，那么应用程序中至少某些事物的“随机性”将会受到影响。当然，其含义取决于应用程序。

我不知道的是，如果 PRNG 使用不同的种子进行初始化，这是否会使客户端看到的序列更随机、更随机或大致相同？也就是说，如果我要写：

var rnd1 = new Random(123);
var rnd2 = new Random(654);
for (int i = 0; i < OneMillion; ++i)
{
    numbers.Add(rnd1.Next());
 numbers.Add(rnd2.Next());
}

与仅从任一 PRNG 中生成 200 万个数字相比，我生成的数字序列会更多还是更少随机？

Answer 1

随机级别应该大致相同，因为这两个系列都是由same algorithm 生成的。

你如何定义随机性？一个序列是否出现更随机可能完全取决于用户，以及应用程序对这些数字序列的作用。

如果您担心多个随机数生成器使用同一个种子，您可以随时从另一个单独的生成器生成的序列中为所有随机数生成器播种。这样一来，至少您的初始起点有些随意。

Answer 2

生成的数字仅与您提供的种子一样随机。如果两个线程以相同的种子结束，它们将具有完全相同的“随机”数字序列。

为了防止这种情况，使用同步来确保每个 TLS 存储的随机数生成器都被赋予一个唯一的种子。

private static object _sync = new object();
[ThreadStatic]
private static Random _rand;

...

if (_rand == null) {
    lock(_sync) {
        _rand = new Random(DateTime.Now.Ticks);
        Thread.Sleep(_rand.Next(0,3));
    }
}

还有其他方法可以确保种子是唯一的，无需休眠，但这是一种用于演示的简单方法。

另一种选择，我认为更好的选择是只使用一个随机数生成器并同步对它的调用。每个人都担心同步会导致性能差异，但除非您每毫秒生成数百个随机数生成器，否则同步不会增加任何明显的性能降级（在我的笔记本电脑上，我可以每毫秒获得并释放 17,000 次锁）。