我看到 Nick Chapsas 近日發布的一個 Youtube 影片，裡面展示了 Random 類別在多執行緒應用程式中可能產生的問題，覺得有點意思，便照著他的範例做了一點測試和筆記。
匆忙的人可以先看以下重點：
- 在多執行緒環境中使用
Random類別來產生隨機數字可能會出現非預期的（不正確的）結果。非預期的結果指的是：產生的隨機數字會有許多是 0（那就不隨機啦）。.NET 5 （以及更早期的 .NET Framework）的Random類別皆有此缺陷。 - .NET 6 的
Random類別已經有針對執行緒安全的問題做出改進，但直到 .NET 7 仍有一點小坑（主要還是為了跟舊版 API 相容，詳見內文）。 - 在 .NET 6 和 .NET 7，使用
Random類別的預設建構子便可放心執行於多執行緒的應用程式；但若使用另一個帶參數的建構子，則必須注意執行緒安全的問題。
範例程式
使用以下範例程式來分別觀察執行於 .NET 5、6、7 的結果有何差異：
說明：
- 第 9 行：在進入平行處理的迴圈之前，建立一個共用的
Random物件。注意這裡使用的是預設建構子，而不是使用其他版本（帶參數）的建構子。 - 第 10 行：使用
Parallel.For來建立 16 個平行處理的工作。 - 第 12～16 行:使用先前建立的
Random物件來產生 10,000 個隨機數字，並將數字保存於整數陣列numbers中。 - 第 18～19 行：檢查
numbers陣列中有幾個 0。正常情況下，隨機函數不應該產生一個以上的 0。這裡將 0 的個數顯示於 Console，以便觀察執行結果是否正常。
.NET 5（以及更早的版本）
我已經把範例程式放到 .NET Fiddle 網站上，你可以直接點以下連結來查看此範例程式執行於 .NET 4.7.2 的結果。
https://dotnetfiddle.net/iUqc7Z
執行結果如下圖：
.NET 6 與 .NET 7
如果將前面範例程式的 Target Framework 改成 .NET 6 或 .NET 7，則不會有剛才的問題。執行結果如下圖：
同樣的，你也可以點以下連結來查看 .NET Fiddle 的執行結果：
https://dotnetfiddle.net/QfPqtV
接著在上面的 .NET Fiddle 頁面中修改程式碼，原本建立 Random 物件時使用預設建構子，現在改用另一個版本，也就是需要傳入 seed 參數的建構子，例如：
var rng = new Random(123);
然後執行看看，結果隨機函數又產生一堆 0 了（跟剛才執行於 .NET 5 平台的結果類似）。
🤔為什麼在 .NET 6 和 .NET 7 平台上，使用 Random 的預設建構子就可以正常執行於多執行緒的情境，改用 Random(int seed) 就會產生一堆 0 呢？
把 Random 類別的原始碼找出來看，可以發現兩個版本的建構子使用了不同的實作：
若使用 Random 類別的預設建構子，其內部會透過 XoshiroImpl 來負責產生隨機數字；這個實作是具備執行緒安全的。
不過，我們可以從原始碼發現一個例外情形：如果使用繼承自 Random 的子類別來建立物件，那麼即便是預設建構子，也一樣會使用相容於 .NET 5 時代的舊版實作 Net5CompatSeedImpl（亦即多執行緒環境下產生的隨機數字會有一堆都是 0）。
如果使用 Random(int seed) 來建立物件，則一律使用相容於舊版的實作。這就是為什麼剛才把範例程式改成使用帶參數版本的建構子之後，執行結果會跑出一堆 0 的原因。
其他解法
在 .NET 6 和 .NET 7，除了使用 Random 的預設建構子，還有一個寫法是把建立 Random 物件的工作移至 Parallel.For() 的委派方法中：
// 原本寫在這裡的 var rng = new Random();
Parallel.For(0, 16, _ =>
{
// 改移到這裡：
var rng = new Random();
var numbers = new int[10000];
...
}
原先範例的寫法只建立一個 Random 物件給多個執行緒共用，修改之後則變成每一個工作執行緒都有自己專用的 Random 物件。此解法雖然能夠解決多執行緒情境下產生一堆 0 的問題，卻會增加一些記憶體用量。微軟文件也有提到這點：
另一個簡單解法是 .NET 6 替 Random 類別新增的 Shared 靜態屬性：
Parallel.For(0, 16, _ =>
{
var numbers = new int[10000];
for (var i = 0; i < numbers.Length; i++)
{
numbers[i] = Random.Shared.Next();
}
...
}
如果你的程式是執行於 .NET 5 或更舊的 .NET Framework，或者你需要替 Random 物件明白指定一個種子，那就得另外想辦法了。一個通用的解決之道，是採用同步機制（synchronization）來確保每次（同一時間）只有一條執行緒能夠產生隨機數字。這部分的細節就不展開了，詳情可參考微軟文件：Random Class 或 Andrew Lock 的文章：Working with System.Random and threads safely in .NET Core and .NET Framework。
Happy coding!
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