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C++随机数

Preface

本文是对C++中随机数的学习记录


计算机的随机数都是由伪随机数,即是由小M多项式序列生成的,其中产生每个小序列都有一个初始值,即随机种子。(注意: 小M多项式序列的周期是65535,即每次利用一个随机种子生成的随机数的周期是65535,当你取得65535个随机数后它们又重复出现了。)

低于C++11

C语言/C++怎样产生随机数:这里要用到的是rand()函数, srand()函数,C语言/C++里没有自带的random(int number)函数。

rand()

功能:随机数发生器

用法:int rand(void)
所在头文件: stdlib.h
rand()的内部实现是用线性同余法做的,它不是真的随机数,因其周期特别长,故在一定的范围里可看成是随机的。
rand()返回一随机数值的范围在0至RAND_MAX 间。RAND_MAX的范围最少是在32767之间(int)。用unsigned int 双字节是65535,四字节是4294967295的整数范围。0~RAND_MAX每个数字被选中的机率是相同的。
用户未设定随机数种子时,系统默认的随机数种子为1。
rand()产生的是伪随机数字,每次执行时是相同的;若要不同,用函数srand()初始化它。

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#include<iostream>
using namespace std;

int main(){

for(int i=0;i < 10;i++)
cout<<rand()<<endl;
return 0;
}


1804289383
846930886
1681692777
1714636915
1957747793
424238335
719885386
1649760492
596516649
1189641421

如果要随机生成一个在一定范围的数

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#include<iostream>
#define random(x) ((rand()% (20 - 10))) + 10
using namespace std;

int main(){

for(int i=0;i < 10;i++)
cout<<random(10)<<endl;
return 0;
}

产生一定范围随机数的通用表示公式
要取得[a,b)的随机整数,使用(rand() % (b-a))+ a;
要取得[a,b]的随机整数,使用(rand() % (b-a+1))+ a;
要取得(a,b]的随机整数,使用(rand() % (b-a))+ a + 1;
通用公式:a + rand() % n;其中的a是起始值,n是整数的范围。
要取得a到b之间的随机整数,另一种表示:a + (int)b * rand() / (RAND_MAX + 1)。
要取得01之间的浮点数,可以使用rand() / double(RAND_MAX)。

srand()

功能:初始化随机数发生器

用法: void srand(unsigned int seed)
所在头文件: stdlib.h
srand()用来设置rand()产生随机数时的随机数种子。参数seed必须是个整数,如果每次seed都设相同值,rand()所产生的随机数值每次就会一样。

rand()产生的随机数在每次运行的时候都是与上一次相同的。若要不同,用函数srand()初始化它。可以利用srand((unsigned int)(time(NULL))的方法,产生不同的随机数种子,因为每一次运行程序的时间是不同的。
1)给srand()提供一个种子,它是一个unsigned int类型;
2)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RAND_MAX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。

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#include<iostream>
#define random(x) ((rand()% (20 - 10))) + 10
using namespace std;

int main(){

srand((unsigned)time(NULL));
for(int i=0;i < 10;i++)
cout<<random(10)<<endl;
return 0;
}

C++11

前面提到的randsrand使用起来还是比较麻烦的,C++11 中提供的 random 库解决了这一问题,它能让我们方便地生成需要的随机值.

random库

随机数引擎类是可以独立运行的随机数发生器,它以均匀的概率生成某一类型的随机数,但无法指定随机数的范围、概率等信息。因此,它也被称为“原始随机数发生器”,由于不能指定生成随机数的范围,它通常不会被单独使用。

随机数分布类是一个需要于随机数引擎类的支持才能运行的类,但是它能根据用户的需求利用随机数引擎生成符合条件的随机数,例如某一区间、某一分布概率的随机数。

所有随机数引擎类都支持的操作如下:

名称 功能
Engine e 创建一个引擎。
Engine e(s) 创建一个引擎,并用 s 作为种子。
e.seed(s) 使用种子 s 充值 e 的状态。
e.min( ), e.max( ) e 能生成的最小值和最大值。
e.discard(u) 将 e 推进 u 步(u 的类型为 unsigned long long)

下表随机数分布类共有的操作:

名称 功能
U u 创建一个分布类 u
u(e) 用随机数引擎 e 生成随机数(u 代表随机数分布类)
u.min( ) u 能生成的最小值
u.max( ) u 能生成的最大值
u.reset( ) 重置 u 的状态,使随后 u 生成的值不受之前的值影响

随机非负数——default_random_engine

default_random_engine是一个随机数引擎类。它定义的调用运算符返回一个随机的unsigned类型的值。

因此,若想生成 10 个随机非负数并输出,程序可以这么写:

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#include <iostream>
#include <random>
using namespace std;

int main( ){
default_random_engine e();
for(int i=0; i<10; ++i)
cout<<e( )<<endl;
return 0;
}

default_random_engine也只是一个伪随机数发生器,如果在运行一次程序,得到结果将还是这几个数。若想令每次运行程序时的生成结果不同,可以为其设置较为随机的种子,比如当前系统的时间。

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#include <iostream>
#include <random>
using namespace std;

int main( ){
default_random_engine e((unsigned)time(NULL));
for(int i=0; i<10; ++i)
cout<<e( )<<endl;
return 0;
}

特定范围的非负数——uniform_int_distribution

uniform_int_distribution是一个随机数分布类,也是个模板类,模板参数为生成随机数的类型(不过只能是 int、unsigned、short、unsigned short、long、unsigned long、long long、unsigned long long 中的一种)。它的构造函数接受两个值,表示随机数的分布范围(闭区间)。

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#include <random>
#include <iostream>

int main()
{
std::random_device rd; // 将用于为随机数引擎获得种子
std::mt19937 gen(rd()); // 以播种标准 mersenne_twister_engine
std::uniform_int_distribution<> dis(1, 6);

for (int n=0; n<10; ++n)
// 用 dis 变换 gen 所生成的随机 unsigned int 到 [1, 6] 中的 int
std::cout << dis(gen) << ' ';
std::cout << '\n';
}

更多c++11中的用法看下面的参考链接吧


参考

std::uniform_int_distribution
C++11 随机数学习
【C++11】随机值获取——random
C++ 随机数
C/C++中产生随机数(rand,srand用法)
剑指offer里面提到的Partition函数

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