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Random、ThreadLocalRandom、SecureRandomの使い分けと注意点

Javaで乱数を扱う必要があり、少し調べた内容を整理したいと思います。用途によってはRandom、ThreadLocalRandomやSecureRandomがあり、今回は、これら3つのクラスの特徴、使い分け、そして実践で役立つ注意点について詳しく解説します。

3つの乱数生成クラスの基本概要

Random：基本的な擬似乱数生成器

java.util.Randomは最もシンプルで広く使われている乱数生成クラスです。

Random random = new Random();
int value = random.nextInt(100); // 0-99の範囲の整数
double doubleValue = random.nextDouble(); // 0.0-1.0の実数

特徴

  • 線形合同法を使用した擬似乱数生成
  • スレッドセーフだが、マルチスレッドでは同期化のオーバーヘッドが発生
  • 暗号学的に安全ではない（予測可能）
  • シンプルで使いやすい

ThreadLocalRandom：マルチスレッド最適化版

Java 7で導入されたjava.util.concurrent.ThreadLocalRandomは、マルチスレッド環境での性能を大幅に改善したクラスです。

ThreadLocalRandom random = ThreadLocalRandom.current();
int value = random.nextInt(0, 100); // 0-99の範囲
long longValue = random.nextLong(1, 1000); // 1-999の範囲

特徴

  • 各スレッドが独自の乱数生成器インスタンスを保持
  • 同期化が不要で、マルチスレッド環境で高性能
  • Randomと同じアルゴリズムだが、スレッドローカルストレージを活用
  • 暗号学的に安全ではない

SecureRandom：暗号学的に安全な乱数生成器

java.security.SecureRandomは、セキュリティが重要な用途向けの乱数生成クラスです。

SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
byte[] randomBytes = new byte[16];
secureRandom.nextBytes(randomBytes);
int secureInt = secureRandom.nextInt(100);

特徴

  • 暗号学的に安全（CSPRNG: Cryptographically Secure Pseudo-Random Number Generator）
  • 予測が困難で、セキュリティ用途に適している
  • OSの乱数源やハードウェア乱数生成器を使用
  • 処理速度は他の2つより遅い

使い分けのガイドライン

用途別推奨クラス

ThreadLocalRandom を選ぶべき場面

  • マルチスレッドアプリケーションでの一般的な乱数生成
  • シミュレーション、ゲーム、ランダムサンプリング
  • 高いパフォーマンスが求められる並行処理

Random を選ぶべき場面

  • シングルスレッドアプリケーション
  • 簡単なプロトタイプや学習目的
  • レガシーコードとの互換性が必要

SecureRandom を選ぶべき場面

  • パスワード生成
  • 暗号化キーの生成
  • セッションIDやトークンの生成
  • その他セキュリティが重要な用途

重要な注意点とベストプラクティス

Random クラスの注意点

シード値による再現性

同じシード値を使用すると、全く同じ乱数列が生成されます。これはテスト時には有用ですが、本番環境では注意が必要です。

// 同じシードだと同じ乱数列が生成される
Random r1 = new Random(12345);
Random r2 = new Random(12345);
System.out.println(r1.nextInt()); // 例：-1155869325
System.out.println(r2.nextInt()); // 同じ値：-1155869325

マルチスレッドでの性能問題

複数のスレッドが同じRandomインスタンスを共有すると、内部の同期化処理により性能が大幅に低下します。

ThreadLocalRandom クラスの注意点

正しいインスタンス取得方法

コンストラクタは使用せず、必ずcurrent()メソッドを使用してください。

// ❌ 間違い - コンストラクタは使用禁止
ThreadLocalRandom wrong = new ThreadLocalRandom();

// ✅ 正しい - current()メソッドを使用
ThreadLocalRandom correct = ThreadLocalRandom.current();

スレッド間での共有禁止

ThreadLocalRandomのインスタンスを他のスレッドで使用すると、予期しない動作を引き起こす可能性があります。

// ❌ 危険 - 別スレッドでの使用は避ける
ThreadLocalRandom tlr = ThreadLocalRandom.current();
CompletableFuture.runAsync(() -> {
    tlr.nextInt(); // このような使い方は避ける
});

// ✅ 正しい - 各スレッドでcurrent()を呼び出す
CompletableFuture.runAsync(() -> {
    ThreadLocalRandom.current().nextInt(); // これが正しい
});

SecureRandom クラスの注意点

初期化の遅延

SecureRandomは初回呼び出し時に大幅な遅延が発生する可能性があります。

SecureRandom sr = new SecureRandom();
// 初回呼び出し時に数秒かかることもある
sr.nextBytes(new byte[16]);

エントロピー不足の問題

Linux環境では/dev/randomを使用した場合、エントロピーが不足して処理がブロックされることがあります。必要に応じて/dev/urandomの使用を検討してください。

アルゴリズムの指定

try {
    // 特定のアルゴリズムを指定可能
    SecureRandom sr = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
    // 環境によっては利用できないアルゴリズムもある
    e.printStackTrace();
}

共通の注意点

範囲指定時のバイアス

剰余演算を使った範囲指定はバイアスを生む可能性があります。

// ❌ バイアスが発生する可能性
int biased = Math.abs(random.nextInt()) % 10;

// ✅ 適切な範囲指定
int unbiased = random.nextInt(10);

long値の範囲指定

Java 17以前では、RandomとSecureRandomのnextLong()メソッドには範囲指定版がありません。ThreadLocalRandomは対応済みです。

// ThreadLocalRandomは範囲指定に対応
ThreadLocalRandom tlr = ThreadLocalRandom.current();
long rangedLong = tlr.nextLong(100, 1000); // 100-999の範囲

// Random/SecureRandomでは自分で実装が必要（Java 17以前）
Random r = new Random();
long min = 100, max = 1000;
long rangedLong2 = min + (long)(r.nextDouble() * (max - min));

まとめ

乱数生成クラスの選択は、アプリケーションの要件によって決まります。

  • 性能重視のマルチスレッドアプリケーション: ThreadLocalRandom
  • シンプルな用途やシングルスレッド: Random
  • セキュリティが重要: SecureRandom

それぞれの特徴と注意点を理解し、適切に使い分けることで、より安全で効率的なJavaアプリケーションを開発できるでしょう。特にマルチスレッド環境では、ThreadLocalRandomの使用を強く推奨します。セキュリティが関わる場面では、性能を犠牲にしてでもSecureRandomを選択することが重要です。

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