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java - 为什么使用相似种子时初始随机数相似？

coder 2023-05-16 原文

我发现使用 Java 的 Random 类生成随机数时有些奇怪。 基本上，如果您使用紧密种子(例如 1 到 1000 之间)创建多个 Random 对象，每个生成器生成的第一个值几乎相同，但下一个值看起来不错(我没有进一步搜索)。

这里是种子从 0 到 9 的两个最先生成的 double :

  • 0 0.730967787376657 0.24053641567148587
  • 1 0.7308781907032909 0.41008081149220166
  • 2 0.7311469360199058 0.9014476240300544
  • 3 0.731057369148862 0.07099203475193139
  • 4 0.7306094602878371 0.9187140138555101
  • 5 0.730519863614471 0.08825840967622589
  • 6 0.7307886238322471 0.5796252073129174
  • 7 0.7306990420600421 0.7491696031336331
  • 8 0.7302511331990172 0.5968915822372118
  • 9 0.7301615514268123 0.7664359929590888

从 991 到 1000:

  • 991 0.7142160704801332 0.9453385235522973
  • 992 0.7109015598097105 0.21848118381994108
  • 993 0.7108119780375055 0.38802559454181795
  • 994 0.7110807233541204 0.8793923921785096
  • 995 0.7109911564830766 0.048936787999225295
  • 996 0.7105432327208906 0.896658767102804
  • 997 0.7104536509486856 0.0662031629235198
  • 998 0.7107223962653005 0.5575699754613725
  • 999 0.7106328293942568 0.7271143712820883
  • 1000 0.7101849056320707 0.574836350385667

这是一个显示从 0 到 100,000 的种子生成的第一个值的图。

基于种子生成的第一个随机 double :

我搜索了有关此问题的信息，但没有看到任何与此确切问题相关的信息。我知道 LCG 算法存在很多问题，但我不知道这个问题，我想知道这是否是一个已知问题。

另外，您是否知道这个问题是否只针对第一个值(或前几个值)，或者它是否更普遍并且应该避免使用紧密种子？

谢谢。

最佳答案

最好下载并阅读 Random 源代码以及一些关于伪随机生成器的论文，但这里是源代码的一些相关部分。首先，控制算法的三个常数参数:

private final static long multiplier = 0x5DEECE66DL;
private final static long addend = 0xBL;
private final static long mask = (1L << 48) - 1;

乘数大约为 2^34 并更改，掩码 2^48 - 1，对于此分析，加数非常接近 0。

当你创建一个带有种子的 Random 时，构造函数会调用 setSeed:

synchronized public void setSeed(long seed) {
    seed = (seed ^ multiplier) & mask;
    this.seed.set(seed);
    haveNextNextGaussian = false;
}

您提供的种子非常接近于零，因此当两者进行或运算时，设置的初始种子值由 multiplier 支配。在种子接近于零的所有测试用例中，内部使用的种子大约为 2^34；但很容易看出，即使您提供了非常大的种子数量，类似的用户提供的种子也会产生类似的内部种子。

最后一 block 是next(int)方法，实际上是根据当前种子生成请求长度的随机整数，然后更新种子:

protected int next(int bits) {
    long oldseed, nextseed;
    AtomicLong seed = this.seed;
    do {
    oldseed = seed.get();
    nextseed = (oldseed * multiplier + addend) & mask;
    } while (!seed.compareAndSet(oldseed, nextseed));
    return (int)(nextseed >>> (48 - bits));
}

这被称为“线性同余”伪随机生成器，这意味着它通过将当前种子乘以一个常数乘数然后加上一个常数加数来生成每个连续的种子(然后屏蔽以获取低 48 位，在这个案例)。生成器的质量由乘数和加数的选择决定，但所有此类生成器的输出都可以根据当前输入轻松预测，并且在重复之前有一个设定的周期(因此建议不要在敏感的情况下使用它们应用程序)。

在给定相似种子的情况下，您从 nextDouble 看到相似的初始输出的原因是，因为下一个整数的计算只涉及乘法和加法，所以下一个整数的大小并不大受低位差异的影响。下一个 double 的计算涉及基于种子计算一个大整数并除以另一个(常数)大整数，结果的大小主要受整数大小的影响。

下一个种子的重复计算将放大种子低位的差异，因为重复乘以常数乘数，并且因为 48 位掩码每次都会抛出最高位，直到最终你看到什么看起来均匀分布。

关于java - 为什么使用相似种子时初始随机数相似？，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/12282628/

种子javalicoderandom

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