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JavaのRandomについて解説!乱数の取得方法についてもご紹介

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公開日時:   更新日時:
JavaのRandomについて解説!乱数の取得方法についてもご紹介
この記事でわかること
    システム
    エンジニア
    JavaでRandomを使用するとどのようなことができるのでしょうか。

    プロジェクト
    マネージャー
    JavaはMath.random()メソッドかもしくはRandomクラスで、疑似乱数を得ることができます。

    JavaのRandomとは?


    JavaはMath.random()メソッドかもしくはRandomクラスで、疑似乱数を得ることができます。「疑似」乱数と言うのは、コンピュータが作る乱数は、サイコロを振るような純粋な乱数とは違うためです。ただ実際に使う上では、予想外なでたらめな数として問題なく利用できます。

    Randomはゲームアプリで使われることが多く、Javaで作るAndroidのゲーム開発では欠かせない機能と言えるでしょう。この記事では、Randomについてわかりやすく解説しますので是非ご覧ください。

    Math.random()の使い方

    まずMath.Random()の使い方を説明しましょう。以下のようにすればdouble型の0.0から1.0未満の間の乱数を取得できます。

    double r = Math.random();
    System.out.println(r);

    結果は以下のようになります。乱数なので実行する度に違う値になります。

    0.4535595467384663

    このままではあまり実用的ではないので、0から10未満の整数の乱数を10回表示するJavaサンプルも載せておきます。

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
    double dr = Math.random();
    int ir = (int)(dr * 10);
    System.out.print(ir+”” “”);
    }

    実行すると以下のように表示されます。

    4 5 4 1 6 6 9 8 3 0

    Randomクラスの使い方

    Javaで乱数を取得するもう一つの方法は、Randomクラスを使うやり方です。以下のJavaサンプルを実行すると、0から10未満の整数の乱数を10回表示します。なおソースの先頭に「import java.util.*;」を追加してください。

    Random r = new Random();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
    System.out.print(r.nextInt(10)+”” “”);
    }

    seedが同じなら乱数も同じになる

    Randomクラスは、0.0から1.0未満の乱数を返すnextDouble()やnextFloat()、true/falseをランダムに返すnextBoolean()といったメソッドもあります。

    Randomクラスは、生成する時にseed(シード)を設定できます。seedとは種と言う意味で、Randomクラスはこの数値を元に乱数を発生させています。そのためseedが同じ値の場合は同じ乱数が発生します。

    以下は2つのRandomクラスに両方とも10というseedを設定しています。

    Random r1 = new Random(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
    System.out.print(r1.nextInt(10)+”” “”);
    }
    System.out.println();
    Random r2 = new Random(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
    System.out.print(r2.nextInt(10)+”” “”);
    }

    実行結果は以下のように、同じ乱数が発生しています。

    3 0 3 0 6 6 7 8 1 4
    3 0 3 0 6 6 7 8 1 4

    seedを指定しなくても乱数が重複してしまうことはない

    なおseedを指定せずにRandomクラスを使用した場合、内部では呼び出されるたびに違う値を返すメソッドとシステム時間により、実行環境で1つだけしか存在しないseedを決定しています。そのため同じ乱数になってしまうことはありません。

    またMath.random()は最初にコールすると内部でRandomクラスを生成していて、その後は同一のRandomクラスのインスタンスを使用しているので、こちらも同じ乱数になってしまうことはないように配慮されています。

    C言語などの古い言語では乱数が毎回変わるように、seedにシステム時間を指定していましたが、Javaではその必要はないということです。

    SecureRandomで良質な乱数を得られる

    Randomは疑似乱数と言われるように、実際に使ってみると偏りがあると感じます。全く偏りがない方が不自然なのですが、広い範囲でばらけてくれた方が良いケースも多いでしょう。そういった時のために、JavaにはSecureRandomというクラスがあります。

    このSecureRandomは名前の通り、セキュリティ対策の暗号用に利用されるもので、良質な乱数を生成します。良質な乱数というのも違和感はありますが、重複の少ないばらけた乱数を作り出してくれるということです。

    SecureRandomのサンプル

    実際にSecureRandomが偏りの少ない乱数を発生させることを確認しましょう。以下のJavaサンプルをご覧ください。なおソースの先頭には
    import java.security.*;
    import java.util.*;
    の追加が必要です。

    final int max_val = 1000000000;
    int min = max_val;
    int max = 0;

    Random rand = new Random();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    rand.setSeed(i);
    int val = rand.nextInt(max_val);
    if (val > max) max = val;
    if (val < min) min = val;
    }
    System.out.println(“”min=”” + min + “” max=”” + max);

    min = max_val;
    max = 0;

    SecureRandom srand = null;
    try {
    srand = SecureRandom.getInstanceStrong();
    }
    catch (NoSuchAlgorithmException e) {
    e.printStackTrace();
    return;
    }
    System.out.println(srand.getAlgorithm());
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    srand.setSeed(i);
    int val = srand.nextInt(max_val);
    if (val > max) max = val;
    if (val < min) min = val;
    }
    System.out.println(“”min=”” + min + “” max=”” + max);

    SecureRandomサンプルの説明

    上のJavaサンプルを説明すると、まず最大値と最小値を保存する変数maxとminを用意しています。maxを最小値、minを最大値で初期化して、発生した乱数と比較すれば、最大値と最小値を更新できます。

    乱数はRandomとSecureRandomをそれぞれ1000回ずつ、毎回別のseedで乱数を出して、最大値と最小値を更新しています。

    実行環境の最適な乱数発生アルゴリズムを取得する

    SecureRandomの生成はgetInstanceStrong()で行っていますが、これは実行環境が提供する強力な乱数発生アルゴリズムを取得しています。取得できない場合は例外が発生します。取得したアルゴリズムの名前は途中のgetAlgorithm()で表示しています。

    実行環境がWindowsの場合は「Windows-PRNG」と表示されます。これはPseudo Random Number Generatorの略で、疑似乱数発生器と言う意味です。

    SecureRandomの方が偏りが少ないことが分かる

    このJavaサンプルを実行すると、以下のような結果になります。

    min=450276826 max=647075888
    Windows-PRNG
    min=734961 max=998495376

    SecureRandomの方が範囲が広いことがわかりますね。ただこのサンプルは10億の範囲で1000回ずつで比較していますが、もっと狭い範囲で回数が少ない場合は、それほど差はでません。

    システム
    エンジニア
    JavaのRandomは色々な使い方ができて奥が深いですね。

    プロジェクト
    マネージャー
    使い方によっては他の要素にも気をつける必要がありますので、注意しながら使用しましょう。

    JavaのRandomは奥が深い

    JavaのRandomについて解説しましたがご理解頂けましたでしょうか。Randomはゲームに使うサイコロの様な機能ですが、セキュリティの暗号化に使う場合は様々なことを考慮する必要があり、意外と奥が深い分野と言えます。

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