Java中如何在特定范围内生成随机整数

技术背景

在Java编程中，经常会遇到需要在特定范围内生成随机整数的需求，比如游戏开发中的随机事件、测试用例的随机数据生成等。不同版本的Java提供了多种实现方式。

实现步骤

Java 7+

在Java 1.7或更高版本中，标准的做法是使用ThreadLocalRandom类：

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

// nextInt is normally exclusive of the top value,
// so add 1 to make it inclusive
int randomNum = ThreadLocalRandom.current().nextInt(min, max + 1);

这种方法的优点是不需要显式初始化java.util.Random实例，但缺点是无法显式设置种子，在需要重现结果的场景（如测试、保存游戏状态等）中使用不便。

Java 17+

从Java 17开始，标准库中的伪随机数生成类实现了RandomGenerator接口。如果需要使用加密强随机数生成器，可以使用SecureRandom类。

早期Java版本

在Java 1.7之前，标准做法如下：

import java.util.Random;

/**
 * Returns a pseudo-random number between min and max, inclusive.
 * The difference between min and max can be at most
 * <code>Integer.MAX_VALUE - 1</code>.
 *
 * @param min Minimum value
 * @param max Maximum value.  Must be greater than min.
 * @return Integer between min and max, inclusive.
 * @see java.util.Random#nextInt(int)
 */
public static int randInt(int min, int max) {
    Random rand;
    // nextInt is normally exclusive of the top value,
    // so add 1 to make it inclusive
    int randomNum = rand.nextInt((max - min) + 1) + min;
    return randomNum;
}

在实际应用中，java.util.Random类通常比java.lang.Math.random()更受欢迎。

另外，也可以使用Math.random()方法：

Min + (int)(Math.random() * ((Max - Min) + 1))

Java 8

Java 8在Random类中引入了ints(int randomNumberOrigin, int randomNumberBound)方法。例如，要生成范围在[0, 10]的五个随机整数或单个随机整数，可以这样做：

Random r = new Random();
int[] fiveRandomNumbers = r.ints(5, 0, 11).toArray();
int randomNumber = r.ints(1, 0, 11).findFirst().getAsInt();

Java 8及以后用于并行流

对于fork join池和并行流，可以使用SplittableRandom类，它通常比Random更快，并且具有更好的统计独立性和均匀性：

int n = new SplittableRandom().nextInt(0, 1_001);
int[] a = new SplittableRandom().ints(100, 0, 1_001).parallel().toArray();
IntStream stream = new SplittableRandom().ints(100, 0, 1_001);

最佳实践

• Java 7及以上：优先使用ThreadLocalRandom，因为它在多线程环境下性能更好，并且使用方便。
• 需要重现结果：使用java.util.Random并显式设置种子。
• 并行流场景：使用SplittableRandom。
• 加密安全需求：使用SecureRandom。

常见问题

• 溢出问题：在使用min + rng.nextInt(max - min + 1)时，(max - min)可能会导致溢出，特别是当min为负数时。可以使用更健壮的实现：

int nextIntInRange(int min, int max, Random rng) {
    if (min > max) {
        throw new IllegalArgumentException("Cannot draw random int from invalid range [" + min + ", " + max + "].");
    }
    int diff = max - min;
    if (diff >= 0 && diff != Integer.MAX_VALUE) {
        return (min + rng.nextInt(diff + 1));
    }
    int i;
    do {
        i = rng.nextInt();
    } while (i < min || i > max);
    return i;
}

• nextInt的范围：rng.nextInt(n)无法达到Integer.MAX_VALUE。在处理大范围时需要注意。