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為什麼 Random.Shared 是執行緒安全的

2022-12-12 12:01:09

在多執行緒環境中使用 Random 類來生成偽亂數時，很容易出現執行緒安全問題。例如，當多個執行緒同時呼叫 Next 方法時，可能會出現種子被意外修改的情況，導致生成的偽亂數不符合預期。

為了避免這種情況，.NET 框架引入了 Random.Shared 屬性。它返回一個特殊的 Random 範例，可以在多執行緒環境中安全地生成偽亂數。

程式碼範例

下面是一個範例程式碼，演示了 Random.Shared 屬性的使用方法：

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

namespace MyApp
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            // 使用 Random.Shared 屬性建立一個新的 Random 範例
            var random = Random.Shared;

            // 建立兩個新的 Task，分別用於生成偽亂數
            var task1 = Task.Run(() =>
            {
                // 生成偽亂數
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 呼叫 Next 方法生成偽亂數
                    var number = random.Next();
                    // 輸出當前執行緒的編號和生成的偽亂數
                    Console.WriteLine($"Thread1: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, number = {number}");

                    // 模擬耗時操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });
            var task2 = Task.Run(() =>
            {
                // 生成偽亂數
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 呼叫 Next 方法生成偽亂數
                    var number = random.Next();

                    // 輸出當前執行緒的編號和生成的偽亂數
                    Console.WriteLine($"Thread2: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, number = {number}");

                    // 模擬耗時操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });

            // 等待兩個 Task 完成
            Task.WaitAll(task1, task2);

            // 等待使用者輸入
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

在上面的程式碼中，我們使用 Random.Shared 屬性建立了一個新的 Random 範例，然後在兩個不同的執行緒中分別呼叫它的 Next 方法生成偽亂數。由於 Random.Shared 屬性是執行緒安全的，所以兩個執行緒之間的存取不會發生衝突，可以正常生成偽亂數。

原理說明

Random.Shared 屬性返回的 Random 範例內部實際上使用了 [ThreadStatic] 屬性，來實現對種子的執行緒安全存取。

[ThreadStatic] 屬性用於標識一個欄位，表示該欄位在每個執行緒中都有一個獨立的值。例如，如果一個欄位被標記為 [ThreadStatic]，那麼每個執行緒都會有一個單獨的副本，它們之間互不影響。

舉個例子，假設我們有一個類，它有一個 [ThreadStatic] 欄位：

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

在這個例子中，Counter 欄位被標記為 [ThreadStatic]，表示每個執行緒都有一個單獨的副本。例如，當我們在兩個不同的執行緒中存取 Counter 欄位時，實際上存取的是兩個不同的副本，它們之間互不影響。

下面是一個範例程式碼，演示了 [ThreadStatic] 屬性的使用方法：

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

namespace MyApp
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            // 建立兩個新的 Task，分別用於存取 Counter 欄位
            var task1 = Task.Run(() =>
            {
                // 存取 Counter 欄位
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 增加 Counter 的值
                    MyClass.Counter++;
                    // 輸出當前執行緒的編號和 Counter 的值
                    Console.WriteLine($"Thread1: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, Counter = {MyClass.Counter}");

                    // 模擬耗時操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });
            var task2 = Task.Run(() =>
            {
                // 存取 Counter 欄位
                for (int i = 0; i < 5; i++)
                {
                    // 增加 Counter 的值
                    MyClass.Counter++;

                    // 輸出當前執行緒的編號和 Counter 的值
                    Console.WriteLine($"Thread2: {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}, Counter = {MyClass.Counter}");

                    // 模擬耗時操作
                    Thread.Sleep(500);
                }
            });

            // 等待兩個 Task 完成
            Task.WaitAll(task1, task2);

            // 等待使用者輸入
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

在上面的程式碼中，我們建立了兩個新的 Task，分別用於存取 Counter 欄位。由於 Counter 欄位被標記為 [ThreadStatic]，所以兩個 Task 在不同的執行緒中執行，存取的是兩個不同的副本。我們可以從輸出結果看出，兩個 Task 之間的修改不會影響到對方。

執行上面的程式碼可能會得到類似下面的樣例結果：

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，每個執行緒都會使用自己的 _counter 變數來記錄遞增的值，因此兩個執行緒之間的值是不同的。

以上是 [ThreadStatic] 屬性的使用方法。在 Random.Shared 屬性的實現中，也採用了類似的方法，來實現種子的執行緒安全存取。由於每個執行緒都有一個單獨的種子，所以它們之間互不影響，並且也不會發生執行緒安全問題。

使用建議

在多執行緒環境中，我們建議使用 Random.Shared 屬性來生成偽亂數。它能夠提供執行緒安全的保證，避免出現種子被意外修改的情況。

總結

通過使用 [ThreadStatic] 屬性，.NET 框架實現了執行緒安全的 Random.Shared 屬性。它允許我們在多執行緒環境中安全地生成偽亂數，而不用擔心種子被意外修改的情況。

參考資料：

本文采用 Chat OpenAI 輔助注水澆築而成，如有雷同，完全有可能。