为什么 Random.Shared 是线程安全的

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# .NET 2022-12-29 10:37 DotNet宝藏库

在多线程环境中使用 Random 类来生成伪随机数时，很容易出现线程安全问题。例如，当多个线程同时调用 Next 方法时，可能会出现种子被意外修改的情况，导致生成的伪随机数不符合预期。

为了避免这种情况，.NET 框架引入了 Random.Shared 属性。它返回一个特殊的 Random 实例，可以在多线程环境中安全地生成伪随机数。

代码示例

下面是一个示例代码，演示了 Random.Shared 属性的使用方法：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyApp
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            // 使用 Random.Shared 属性创建一个新的 Random 实例
            var random = Random.Shared;

            // 创建两个新的 Task，分别用于生成伪随机数
            var task1 = Task.Run(() =>
            {
                // 生成伪随机数
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 调用 Next 方法生成伪随机数
                    var number = random.Next();
                    // 输出当前线程的编号和生成的伪随机数
                    Console.WriteLine($"Thread1: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, number = {number}");

                    // 模拟耗时操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });
            var task2 = Task.Run(() =>
            {
                // 生成伪随机数
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 调用 Next 方法生成伪随机数
                    var number = random.Next();

                    // 输出当前线程的编号和生成的伪随机数
                    Console.WriteLine($"Thread2: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, number = {number}");

                    // 模拟耗时操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });

            // 等待两个 Task 完成
            Task.WaitAll(task1, task2);

            // 等待用户输入
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

在上面的代码中，我们使用 Random.Shared 属性创建了一个新的 Random 实例，然后在两个不同的线程中分别调用它的 Next 方法生成伪随机数。由于 Random.Shared 属性是线程安全的，所以两个线程之间的访问不会发生冲突，可以正常生成伪随机数。

原理说明

Random.Shared 属性返回的 Random 实例内部实际上使用了 [ThreadStatic] 属性，来实现对种子的线程安全访问。

[ThreadStatic] 属性用于标识一个字段，表示该字段在每个线程中都有一个独立的值。例如，如果一个字段被标记为 [ThreadStatic]，那么每个线程都会有一个单独的副本，它们之间互不影响。

举个例子，假设我们有一个类，它有一个 [ThreadStatic] 字段：

public class MyClass
{
    [ThreadStatic]
    public static int Counter;
}

在这个例子中，Counter 字段被标记为 [ThreadStatic]，表示每个线程都有一个单独的副本。例如，当我们在两个不同的线程中访问 Counter 字段时，实际上访问的是两个不同的副本，它们之间互不影响。

下面是一个示例代码，演示了 [ThreadStatic] 属性的使用方法：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace MyApp
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            // 创建两个新的 Task，分别用于访问 Counter 字段
            var task1 = Task.Run(() =>
            {
                // 访问 Counter 字段
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 增加 Counter 的值
                    MyClass.Counter++;
                    // 输出当前线程的编号和 Counter 的值
                    Console.WriteLine($"Thread1: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, Counter = {MyClass.Counter}");

                    // 模拟耗时操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });
            var task2 = Task.Run(() =>
            {
                // 访问 Counter 字段
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 增加 Counter 的值
                    MyClass.Counter++;

                    // 输出当前线程的编号和 Counter 的值
                    Console.WriteLine($"Thread2: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, Counter = {MyClass.Counter}");

                    // 模拟耗时操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });

            // 等待两个 Task 完成
            Task.WaitAll(task1, task2);

            // 等待用户输入
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

在上面的代码中，我们创建了两个新的 Task，分别用于访问 Counter 字段。由于 Counter 字段被标记为 [ThreadStatic]，所以两个 Task 在不同的线程中执行，访问的是两个不同的副本。我们可以从输出结果看出，两个 Task 之间的修改不会影响到对方。

运行上面的代码可能会得到类似下面的样例结果：

Thread1: Counter = 1
Thread1: Counter = 2
Thread1: Counter = 3
Thread1: Counter = 4
Thread1: Counter = 5
Thread2: Counter = 1
Thread2: Counter = 2
Thread2: Counter = 3
Thread2: Counter = 4
Thread2: Counter = 5

可以看到，每个线程都会使用自己的 _counter 变量来记录递增的值，因此两个线程之间的值是不同的。

以上是 [ThreadStatic] 属性的使用方法。在 Random.Shared 属性的实现中，也采用了类似的方法，来实现种子的线程安全访问。由于每个线程都有一个单独的种子，所以它们之间互不影响，并且也不会发生线程安全问题。