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C语言编程中生成随机数的入门教程

来源:本站原创|时间:2020-01-10|栏目:C语言|点击:

语言产生随机数是一个常见的编程功能任务,当然这个也不难,调用两三个函数就出来了,但是你知道这些函数具体是起到怎样的作用,并且是它们是如何产生随机数的吗?

几个概念

随机数:数学上产生的都是伪随机数,真正的随机数使用物理方法产生的。

随机数种子:随机数的产生是由算术规则产生的,srand(seed)的随机数种子不同,rand()的随机数值就不同,倘若每次的随机数种子一样,则rand()的值就一样。所以要产生随机数,则srand(seed)的随机数种子必须也要随机的。

用srand()产生随机数种子

原型:void srand ( unsigned int seed );

作用是设置好随机数种子,为了让随机数种子是随机的,通常用time(NULL)的值来当seed。


time()用于随机数种子

函数原型:time_t time ( time_t * timer );

time()函数表示返回1970-1-1 00:00:00 到当前时间的秒数。

用的时候这样:srand(unsigned(time(NULL)));例如产生1~10之间的随机整数

#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main()
{
  srand(time(NULL));
  for(int i=0;i < 10;i++)
  {
    int randValue=rand()%10;
  }
}

上面的程序中要注意srand是在for循环外面的,如果把srand放到for循环里面,则每次产生的随机数都相同。

用rand()产生随机数

原型:int rand ( void );

作用是产生一个随机数,当然随机数是有范围的,为0~RAND_MAX之间,随机数与随机数种子有关。具体来说是,在产生随机数 rand()被调用的时候,它会这样执行:

如果用户之前调用过 srand(seed)的话,他会重新调用一遍 srand(seed)以产生随机数种子;
如果发现没有调用过 srand(seed)的话,会自动调用 srand(1)一次。
如果调用srand(seed)产生的随机数种子是一样的话(即seed的值相同),rand()产生的随机数也相同。
所以,如果希望rand()每次调用产生的值都不一样,就需要每次调用srand(seed)一次,而且seed不能相同。这里就是经常采用time(NULL)产生随机数种子的原因。

C语言中可以使用rand()函数来生成一个从0到RAND_MAX的uniform分布。基于这个函数,我们可以构造出一些特定的随机数生成器来满足我们的需求。
(一)0到1的uniform分布:

//generate a random number in the range of [0,1]
double uniform_zero_to_one(){
  return (double)rand()/RAND_MAX;
}

(二)任意实数区间的uniform分布:

//generate a random real number in [start,end]
double uniform_real(double start,double end){
  double rate=(double)rand()/RAND_MAX;
  return start+(end-start)*rate;
}

(三)任意整数区间的uniform分布:

//generate a random integer number in [start,end)
int uniform_integer(int start,int end){
  int base=rand();
  if(base==RAND_MAX)
    return uniform_integer(start,end);
  int range=end-start;
  int remainder=RAND_MAX%range;
  int bucket=RAND_MAX/range;
  if(base<RAND_MAX-remainder)
    return start+base/bucket;
  else
    return uniform_integer(start,end);
}

这个函数要特别说明一下,平常时候我们都是用rand()%n来生成0到n-1的随机数,但是按这种方法生成的分布并不是uniform的,另外由于RAND_MAX只有32767,因此要生成比这个数更大的随机数需要另外想办法,理论上可以直接用0到1的uniform分布直接放缩,但实际效果不好。这里给出一种移位方式的实现。

(四)32bits的随机数

//generate a random 32 bits integer number 
int rand32(){
  return ((rand()<<16)+(rand()<<1)+rand()%2);
}

有了32bits的随机数生成方法,就可以构造32bits范围内的随机整数区间了,方法和之前16bits的情况一样。

(五)32bits范围内的随机整数区间

//generate a random 32bits integer number in [start,end)
 int uniform_integer_32(int start,int end){
   int base=rand32();
  if(base==RAND32_MAX)
    return uniform_integer_32(start,end);
  int range=end-start;
  int remainder=RAND32_MAX%range;
  int bucket=RAND32_MAX/range;
  if(base<RAND32_MAX-remainder)
    return start+base/bucket;
  else
    return uniform_integer_32(start,end);
}

这里RAND32_MAX定义为0x7fffffff。

除此之外,利用rand()函数构造任意分布的随机数也是个值得探讨的问题。

理论上可以通过(0,1)的uniform分布,加上标准采样方法(sampling)获得。

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本文标题:C语言编程中生成随机数的入门教程

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