# 機能設計書 46-乱数生成

## 概要

本ドキュメントは、F#コアライブラリにおけるスレッドセーフな乱数生成機能の設計を記述する。

### 本機能の処理概要

乱数生成機能は、ThreadSafeRandomクラスを通じてスレッドセーフな乱数生成器を提供する。各スレッドに独立したSystem.Randomインスタンスを割り当てることで、スレッド間の競合を回避しながら効率的な乱数生成を実現する。

**業務上の目的・背景**：並列処理やマルチスレッド環境において、System.Randomは共有するとスレッドセーフでないため、競合や予期しない動作が発生する。ThreadSafeRandomは、スレッドローカルストレージを活用して各スレッドに専用のRandomインスタンスを提供し、安全かつ効率的な乱数生成を可能にする。

**機能の利用シーン**：
- 並列コレクション処理での乱数使用
- マルチスレッドアプリケーションでの乱数生成
- 非同期処理内での乱数使用
- シミュレーションやゲームでの乱数生成

**主要な処理内容**：
1. スレッドローカルなRandomインスタンスの管理
2. 遅延初期化によるリソース効率化
3. スレッドセーフなSharedプロパティの提供

**関連システム・外部連携**：System.Random、System.Runtime.CompilerServices

**権限による制御**：特になし（内部クラス）

## 関連画面

本機能はコアライブラリの内部機能のため、直接関連する画面はない。

| 画面No | 画面名 | 関連種別 | 関連する操作・処理 |
|--------|--------|----------|------------------|
| - | - | - | - |

## 機能種別

ユーティリティ / スレッドセーフティ

## 入力仕様

### 入力パラメータ

本機能は内部クラスであり、直接のパラメータはない。

| パラメータ名 | 型 | 必須 | 説明 | バリデーション |
|-------------|-----|-----|------|---------------|
| - | - | - | - | - |

### 入力データソース

該当なし

## 出力仕様

### 出力データ

| 項目名 | 型 | 説明 |
|--------|-----|------|
| Shared | System.Random | スレッドローカルなRandomインスタンス |

### 出力先

呼び出し元コード

## 処理フロー

### 処理シーケンス

```
1. Sharedプロパティへのアクセス
   └─ ThreadSafeRandom.Shared
2. スレッドローカル変数の確認
   └─ ThreadSafeRandom.random がnullか確認
3. 初期化（必要な場合）
   └─ nullの場合、Create()で新規Randomインスタンスを生成
4. Randomインスタンスの返却
   └─ スレッドローカルなRandomインスタンスを返す
```

### フローチャート

```mermaid
flowchart TD
    A[Sharedプロパティアクセス] --> B{random == null?}
    B -->|Yes| C[Create()を呼び出し]
    C --> D[new Random()を生成]
    D --> E[スレッドローカル変数に格納]
    E --> F[Randomインスタンスを返却]
    B -->|No| F
```

## ビジネスルール

### 業務ルール

| ルールNo | ルール名 | 内容 | 適用条件 |
|---------|---------|------|---------|
| BR-01 | スレッド分離 | 各スレッドに独立したRandomインスタンスを割り当て | すべてのアクセス |
| BR-02 | 遅延初期化 | Randomインスタンスは初回アクセス時にのみ生成 | 初回アクセス |
| BR-03 | インスタンス再利用禁止 | 取得したRandomを他スレッドに渡さない | 利用者の責務 |

### 計算ロジック

ThreadStatic属性により、各スレッドに独立した静的フィールドが割り当てられる。

## データベース操作仕様

本機能はデータベースを使用しない。

## エラー処理

### エラーケース一覧

| エラーコード | エラー種別 | 発生条件 | 対処方法 |
|------------|----------|---------|---------|
| - | - | - | - |

通常の使用では例外は発生しない。

### リトライ仕様

該当なし

## トランザクション仕様

該当なし

## パフォーマンス要件

- ThreadStatic属性により、ロック不要でスレッドセーフを実現
- 遅延初期化により、使用しないスレッドではオーバーヘッドなし
- MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)でCreate()のインライン化を防止

## セキュリティ考慮事項

- System.Randomは暗号学的に安全でない疑似乱数生成器
- セキュリティ目的には System.Security.Cryptography.RandomNumberGenerator を使用すること

## 備考

ThreadSafeRandomは内部クラス（internal）であり、F#コアライブラリ内部でのみ使用される。外部からは直接アクセスできない。

---

## コードリーディングガイド

本機能を理解するために参照すべきファイルと、推奨する読み解き順序を以下に示す。

### 推奨読解順序

#### Step 1: クラス構造を理解する

ThreadSafeRandomクラスの全体構造を把握する。

| 順序 | ファイル | パス | 読解ポイント |
|-----|---------|------|-------------|
| 1-1 | Random.fs | `src/FSharp.Core/Random.fs` | **8-9行目**: AbstractClass, Sealedで静的クラスとして定義 |
| 1-2 | Random.fs | `src/FSharp.Core/Random.fs` | **11-13行目**: ThreadStatic属性でスレッドローカル変数を定義 |

**読解のコツ**: AbstractClass + Sealed の組み合わせは、インスタンス化できない静的クラスを表現するF#のイディオム。

#### Step 2: 初期化処理を理解する

Randomインスタンスの生成処理を確認する。

| 順序 | ファイル | パス | 読解ポイント |
|-----|---------|------|-------------|
| 2-1 | Random.fs | `src/FSharp.Core/Random.fs` | **15-18行目**: Create()メソッドでRandomインスタンスを生成 |
| 2-2 | Random.fs | `src/FSharp.Core/Random.fs` | **15行目**: NoInliningでインライン化を防止 |

**主要処理フロー**:
- **17行目**: 新規Randomインスタンスを生成し、スレッドローカル変数に格納
- **18行目**: 生成したRandomインスタンスを返却

#### Step 3: 公開プロパティを理解する

Sharedプロパティの実装を確認する。

| 順序 | ファイル | パス | 読解ポイント |
|-----|---------|------|-------------|
| 3-1 | Random.fs | `src/FSharp.Core/Random.fs` | **21-24行目**: Sharedプロパティで遅延初期化とアクセス |

**主要処理フロー**:
- **22行目**: スレッドローカル変数をパターンマッチで確認
- **23行目**: nullの場合、Create()で初期化
- **24行目**: 既存のRandomインスタンスを返却

### プログラム呼び出し階層図

```
ThreadSafeRandom.Shared (プロパティアクセス)
    │
    ├─ match ThreadSafeRandom.random with
    │      │
    │      ├─ null → ThreadSafeRandom.Create()
    │      │             │
    │      │             └─ new Random()
    │      │                    └─ ThreadSafeRandom.random に格納
    │      │
    │      └─ random → 既存インスタンスを返却
    │
    └─ Random インスタンスを返却
```

### データフロー図

```
[スレッドA]                              [スレッドB]

ThreadSafeRandom.Shared           ThreadSafeRandom.Shared
         │                                 │
         ▼                                 ▼
    random[A] (ThreadStatic)         random[B] (ThreadStatic)
         │                                 │
         ▼                                 ▼
    Random インスタンスA             Random インスタンスB
    （スレッドA専用）                 （スレッドB専用）
```

### 関連ファイル一覧

| ファイル | パス | 種別 | 役割 |
|---------|------|------|------|
| Random.fs | `src/FSharp.Core/Random.fs` | ソース | ThreadSafeRandomクラスの定義 |
