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分类: C/C++

2013-01-20 16:59:00

C++ 随机数生成
随机数、随机数种子
在计算机中并没有一个真正的随机数发生器,但是可以做到使产生的数字重复率很低,这样看起来好象是真正的随机数,实现这一功能的程序叫伪随机数发生器。
有关如何产生随机数的理论有许多,如果要详细地讨论,需要厚厚的一本书的篇幅。不管用什么方法实现随机数发生器,都必须给它提供一个名为“种子”的初始值而且这个值最好是随机的,或者至少这个值是伪随机的。“种子”的值通常是用快速计数寄存器或移位寄存器来生成的。
下面讲一讲在C语言里所提供的随机数发生器的用法。现在的C编译器都提供了一个基于ANSI标准的伪随机数发生器函数,用来生成随机数。它们就是rand()和srand()函数。这二个函数的工作过程如下:
1) 首先给srand()提供一个种子,它是一个unsigned int类型,其取值范围从0~65535;
2) 然后调用rand(),它会根据提供给srand()的种子值返回一个随机数(在0到32767之间)
3) 根据需要多次调用rand(),从而不间断地得到新的随机数;
4) 无论什么时候,都可以给srand()提供一个新的种子,从而进一步“随机化”rand()的输出结果。

这个过程看起来很简单,问题是如果你每次调用srand()时都提供相同的种子值,那么,你将会得到相同的随机数序列,这时看到的现象是没有随机数,而每一次的数都是一样的了。例如,在以17为种子值调用srand()之后,在首次调用rand()时,得到随机数94。在第二次和第三次调用rand()时将分别得到26602和30017,这些数看上去是很随机的(尽管这只是一个很小的数据点集合),但是,在你再次以17为种子值调用srand()后,在对于rand()的前三次调用中,所得的返回值仍然是在对94,26602,30017,并且此后得到的返回值仍然是在对rand()的第一批调用中所得到的其余的返回值。因此只有再次给srand()提供一个随机的种子值,才能再次得到一个随机数。

要想使用随机函数rand(),就必须先要初始化随机种子。具体点就是在main函数的开头加上srand((unsigned)time(NULL))就可以了,由于需要使用time所以还必须添加上time.h头文件。


标准库(被包含于中)提供两个帮助生成伪随机数的函数:
函数一:int rand(void);
从srand (seed)中指定的seed开始,返回一个[seed, RAND_MAX(0x7fff))间的随机整数。
函数二:void srand(unsigned seed);
参数seed是rand()的种子,用来初始化rand()的起始值。
可以认为rand()在每次被调用的时候,它会查看:
1) 如果用户在此之前调用过srand(seed),给seed指定了一个值,那么它会自动调用
srand(seed)一次来初始化它的起始值。
2) 如果用户在此之前没有调用过srand(seed),它会自动调用srand(1)一次。
根据上面的第一点我们可以得出:
1)如果希望rand()在每次程序运行时产生的值都不一样,必须给srand(seed)中的seed一个变值,这个变值必须在每次程序运行时都不一样(比如到目前为止流逝的时间)。
2) 否则,如果给seed指定的是一个定值,那么每次程序运行时rand()产生的值都会一样,虽然这个值会是[seed, RAND_MAX(0x7fff))之间的一个随机取得的值。
3)如果在调用rand()之前没有调用过srand(seed),效果将和调用了srand(1)再调用rand()一样(1也是一个定值)。
举几个例子,假设我们要取得0~6之间的随机整数(不含6本身):
例一,不指定seed:
for(int i=0;i<10;i++){
ran_num=rand() % 6;
cout<
}
每次运行都将输出:5 5 4 4 5 4 0 0 4 2
例二,指定seed为定值1:
srand(1);
for(int i=0;i<10;i++){
ran_num=rand() % 6;
cout<
}
每次运行都将输出:5 5 4 4 5 4 0 0 4 2
跟例子一的结果完全一样。
例三,指定seed为定值6:
srand(6);
for(int i=0;i<10;i++){
ran_num=rand() % 6;
cout<
}
每次运行都将输出:4 1 5 1 4 3 4 4 2 2
随机值也是在[0,6)之间,随得的值跟srand(1)不同,但是每次运行的结果都相同。
例四,指定seed为当前系统流逝了的时间(单位为秒):time_t time(0):
#include
//…
srand((unsigned)time(0));
for(int i=0;i<10;i++){
ran_num=rand() % 6;
cout<
}
第一次运行时输出:0 1 5 4 5 0 2 3 4 2
第二次:3 2 3 0 3 5 5 2 2 3
总之,每次运行结果将不一样,因为每次启动程序的时刻都不同(间隔须大于1秒?见下)。
关于time_t time(0):
time_t被定义为长整型,它返回从1970年1月1日零时零分零秒到目前为止所经过的时间,单位为秒。比如假设输出:
cout<
值约为1169174701,约等于37(年)乘365(天)乘24(小时)乘3600(秒)(月日没算)。
另外,关于ran_num = rand() % 6,
将rand()的返回值与6求模是必须的,这样才能确保目的随机数落在[0,6)之间,否则rand()的返回值本身可能是很巨大的。
一个通用的公式是:
要取得[a,b)之间的随机整数,使用(rand() % (b-a))+ a (结果值将含a不含b)。
在a为0的情况下,简写为rand() % b。
最后,关于伪随机浮点数:
用rand() / double(RAND_MAX)可以取得0~1之间的浮点数(注意,不同于整型时候的公式,是除以,不是求模),举例:
double ran_numf=0.0;
srand((unsigned)time(0));
for(int i=0;i<10;i++){
ran_numf = rand() / (double)(RAND_MAX);
cout<
}
运行结果为:0.716636,0.457725,…等10个0~1之间的浮点数,每次结果都不同。
如果想取更大范围的随机浮点数,比如1~10,可以将
rand() /(double)(RAND_MAX) 改为 rand() /(double)(RAND_MAX/10)
运行结果为:7.19362,6.45775,…等10个1~10之间的浮点数,每次结果都不同。
至于100,1000的情况,如此类推。
以上不是伪随机浮点数最好的实现方法,不过可以将就着用用…

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