探索 Java 各种随机函数
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来源：KAAAsS，
blog.kaaass.net/archives/42
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其实写这篇文章的原由是最近准备在Java上写一个Perlin噪声的插件，所以对各种噪声函数有了一丢丢的了解，若有问题还请大家指正。转载的话希望能注明出处。
注意，本教程中的随机函数均是形参为整形，返回值为区间[0,1)内的单精浮点数的函数。测试均为1~10000的随机数生成速度测试(1D – 输入x、2D – 输入x, y)。
更新记录
2016.1.22 – 初稿。
2016.1.28
(1) – 更新了Wichman-Hill随机数的算法，修改内容。增加了几个随机算法。
(2) – 统计出了各个方法比较后的分数。
随机方法
1.Wichman-Hill 随机数产生器
Excel的随机函数曾用的方法，参考文献：
Wichman, B.A. 和 I.D. Hill，Algorithm AS 183:An Efficient and Portable Pseudo-Random Number Generator，《Applied Statistics》，31，188-190，1982。
Wichman, B.A. 和 I.D. Hill，Building a Random-Number Generator，BYTE，第127-128 页，1987 年 3 月。
Rotz, W. 和 E. Falk，D. Wood 和 J. Mulrow，A Comparison of Random Number Generators Used in Business，发表于 2001 年在佐治亚州亚特兰大市举行的“统计学联合会议”上。
直接上源码(2D请前去Github上查看)：
/**
* This is a method of Wichman-Hill random number generator.
*
* @param x
* A seed for generator.
* @return A float random value between [0.0,1.0)
*/
public static float randomWH(java.lang.Integer x) {
int[] seed = new int[3];
seed[0] = (171 * x) % 30269;
seed[1] = (172 * (30000 – x)) % 30307;
seed[2] = (170 * x) % 30323;
return (x / Math.abs(x))
* (seed[0] / 30269.0F + seed[1] / 30307.0F + seed[2] / 30323.0F) % 1.0F;
}
以下是测试结果：
Start testing randomWH(), test: Generate 10000 numbers(1D).
Testing randomWH() completed, using time: 10 ms.
Start testing randomWH(), test: Generate 10000 numbers(2D).
Testing randomWH() completed, using time: 7 ms.
还蛮乐观，但是图像就…
无论怎么改，还是呈现了线性的趋势，波动很小……Orz
2.RSA 随机数产生器
RSA公钥算法大家都不会不熟悉吧，公认很靠谱的密钥算法。这里就是用了RSA的随机算法。参考：
Wikipedia – RSA problem
其公式：C = (x * exp P) mod N（P是质数，N是两个质数之积）
这是Java代码：
/**
* This is a method of RSA.
*
* @param x
* A seed for generator.
* @return A float random value between [0.0,1.0)
*/
public static float randomRSA(java.lang.Integer x) {
return (float) (x * Math.exp(seedRSA[0]) % seedRSA[1] / seedRSA[1]);
}
测试结果：
Start testing randomRSA(), test: Generate 10000 numbers(1D).
Testing randomRSA() completed, using time: 10 ms.
Start testing randomRSA(), test: Generate 10000 numbers(2D).
Testing randomRSA() completed, using time: 9 ms.
从图像看出，这个算法的随机性很赞。况且运算速度也不赖，适合使用。
3.Java 随机数产生器
Java自带的随机数（就是java.util.Random类），用过的都知道吧。那就直接上代码：
/**
* This is a method of Java random number generator.
*
* @param x
* A seed for generator.
* @return A float random value between [0.0,1.0)
*/
public static float randomJava(java.lang.Integer x) {
return (float) (new java.util.Random(1000 * x).nextDouble()); //乘1000来让种子间差距增大
}
这是测试数据：
Start testing randomJava(), test: Generate 10000 numbers(1D).
Testing randomJava() completed, using time: 11 ms.
Start testing randomJava(), test: Generate 10000 numbers(2D).
Testing randomJava() completed, using time: 8 ms.
非常优秀的随机数算法，速度快而且基本看不出规律。
4.简单的随机数产生器
又是扫荡Google的战利品，很抱歉忘记出处惹……代码：
/**
* This is a method of basic random generator.
*
* @param x
* A seed for generator.
* @return A float random value between [0.0,1.0)
*/
public static float randomBasic(java.lang.Integer x) {
x = (x << 13) ^ x;
return (float) Math
.abs((1.0 - ((x * (x * x * 15731 + 789221) + 1376312589) & 0x7fffffff) / 1073741824.0));
}
测试结果：
Start testing randomBasic(), test: Generate 10000 numbers(1D).
Testing randomBasic() completed, using time: 9 ms.
Start testing randomBasic(), test: Generate 10000 numbers(2D).
Testing randomBasic() completed, using time: 8 ms.
也是非常优秀的算法，随机的效果很棒，且用时也不长。
5.dotNet 随机数产生器
写了尼玛整整一个类啊我擦，不过是源码转写进来的，也没费什么力气。代码：
(DotNetRandom 类)
package kaaass.perlin2d.random;
/**
* This is a random generator which translated from dotNet.
*
* @author dotNet, KAAAsS(Translate)
*
*/
class DotNetRandom {
private final static int MBIG = Integer.MAX_VALUE;
private final static int MSEED = 161803398;
private int inext, inextp;
private int[] SeedArray = new int[56];
public DotNetRandom() {
this((int) System.currentTimeMillis());
}
public DotNetRandom(int Seed) {
int ii;
int mj, mk;
mj = MSEED - Math.abs(Seed);
SeedArray[55] = mj;
mk = 1;
for (int i = 1; i < 55; i++) {
/*
* Apparently the range [1..55] is special (Knuth) and so we"re
* wasting the 0"th position.
*/
ii = (21 * i) % 55;
SeedArray[ii] = mk;
mk = mj - mk;
if (mk < 0)
mk += MBIG;
mj = SeedArray[ii];
}
for (int k = 1; k < 5; k++) {
for (int i = 1; i < 56; i++) {
SeedArray[i] -= SeedArray[1 + (i + 30) % 55];
if (SeedArray[i] < 0) SeedArray[i] += MBIG; } } inext = 0; inextp = 21; Seed = 1; } /** * Return a new random number [0,1) and reSeed the Seed array. * @return A double [0,1) */ protected double rand() { int retVal; int locINext = inext; int locINextp = inextp; if (++locINext >= 56)
locINext = 1;
if (++locINextp >= 56)
locINextp = 1;
retVal = SeedArray[locINext] - SeedArray[locINextp];
if (retVal < 0)
retVal += MBIG;
SeedArray[locINext] = retVal;
inext = locINext;
inextp = locINextp;
/*
* Including this division at the end gives us significantly improved
* random number distribution.
*/
return (retVal * (1.0 / MBIG));
}
}
(调用)
/**
* This is a method of doNet random number generator.
*
* @param x
* A seed for generator.
* @return A float random value between [0.0,1.0)
*/
public static float randomDoNet(java.lang.Integer x) {
return (float) new DotNetRandom(1000 * x).rand();
}
测试：
Start testing randomDoNet(), test: Generate 10000 numbers(1D).
Testing randomDoNet() completed, using time: 61 ms.
Start testing randomDoNet(), test: Generate 10000 numbers(2D).
Testing randomDoNet() completed, using time: 109 ms.
目瞪口呆这速度，这质量……是我的锅吗……
统计
经过比对之后，终于得到了大致的评分表（已按高低名次排序）：
看来Java的综合实力不差。同样可以在图表中看到实际上Basic的效率是最好的，然而与Java的差距也只有1毫秒。但是Java的质量要好上不少。RSA质量不错，基本和Basic持平，但是速度上还是差了一丢丢。
这里是对比方法：
速度：1-D、2-D随机数生成速度排序（上图表格中给出的是ms成绩），打出得分：1~5（各占20%）
随机程度：通过方差以及其他统计分析得出，打出得分：1~5（最好~最差）（占40%）
重复率：通过对插值图像的分析得出，打出得分：1~5（最好~最差）（占20%）
结果按百分制处理后，求出与100的差为最终成绩
当然本对比可能不是严谨科学，仅供参考。
附测试代码：
public static void testRandom(String method) {
RandomGenerator obj = new RandomGenerator();
Method m;
try {
long t;
// 1-D tests
m = RandomGenerator.class.getMethod(method, Integer.class);
t = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Start testing " + method
+ "(), test: Generate 10000 numbers(1D).");
for (int i = 1; i <= 10000; i++) {
m.invoke(obj, i);
}
System.out.println("Testing " + method
+ "() completed, using time: "
+ (System.currentTimeMillis() - t) + " ms.\n");
// 2-D tests
m = RandomGenerator.class.getMethod(method, Integer.class,
Integer.class);
t = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Start testing " + method
+ "(), test: Generate 10000 numbers(2D).");
for (int i = 1; i <= 100; i++) {
for (int ii = 1; ii <= 100; ii++) {
m.invoke(obj, i, ii);
}
}
System.out.println("Testing " + method
+ "() completed, using time: "
+ (System.currentTimeMillis() - t) + " ms.\n");
// Generate data
m = RandomGenerator.class.getMethod(method, Integer.class);
String s1 = "";
String s2 = "";
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
if (s1.equals("")) {
s1 = String.valueOf(i);
} else {
s1 = s1 + "," + String.valueOf(i);
}
if (s2.equals("")) {
s2 = "" + (float) m.invoke(obj, i);
} else {
s2 = s2 + "," + (float) m.invoke(obj, i);
}
}
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
} catch (NoSuchMethodException | SecurityException e) {
e.printStackTrace();
return;
} catch (IllegalAccessException e) {
// TODO 自动生成的 catch 块
e.printStackTrace();
} catch (IllegalArgumentException e) {
// TODO 自动生成的 catch 块
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
// TODO 自动生成的 catch 块
e.printStackTrace();
}
}
详情请看我的Github。
http://github.com/kaaass/JavaPerlin
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