C/C++编程笔记：C语言rand()随机函数，深入解析程序随机数！

各种编程语言返回的随机数&＃xff08;确切地说是伪随机数&＃xff09;实际上都是根据递推公式计算的一组数值&＃xff0c;当序列足够长&＃xff0c;这组数值近似满足均匀分布。

C的标准函数库提供一随机数生成器rand&＃xff08;定义在stdlib.h&＃xff09;&＃xff0c;能返回0~RAND_MAX之间均匀分布的伪随机整数&＃xff08;RAND_MAX至少为32767&＃xff0c;一般都默认为32767&＃xff09;。

用rand()随机生成在[x,y]内的整数

int k;

k&＃61;x&＃43;rand()%(y-x&＃43;1)&＃xff0c;k即为所求范围内随机生成的数&＃xff0c;rand()%a的结果最大为a-1.

rand( )%20的意思的生成20以内的随机数。

例如&＃xff1a;

#include#includevoid main(){for(int i&＃61;0;i<10;i&＃43;&＃43;)printf("%d\n",rand());}

如果我们是第一次运行&＃xff0c;而且对其不太清楚&＃xff0c;那么它生成的基本上算是0&＃xff0d;RAND_MAX之间的等概率随机数列了。但是如果你第二次运行的时候会发现输出结果仍和第一次一样。

原来rand()生成伪随机数时需要一个种子&＃xff08;计算伪随机序列的初始数值&＃xff09;才行&＃xff0c;如果种子相同就会得到相同的序列结果&＃xff08;这就是函数的好处T-T&＃xff09;。这个“优点”被有的软件利用于加密和解密。加密时&＃xff0c;可以用某个种子数生成一个伪随机序列并对数据进行处理&＃xff1b;解密时&＃xff0c;再利用种子数生成一个伪随机序列并对加密数据进行还原。这样&＃xff0c;对于不知道种子数的人要想解密就需要多费些事了。当然&＃xff0c;这种完全相同的序列对于你来说是非常糟糕的。要解决这个问题&＃xff0c;需要在每次产生随机序列前&＃xff0c;先指定不同的种子&＃xff0c;这样计算出来的随机序列就不会完全相同了。

srand()用来设置rand()产生随机数时的随机数种子。在调用rand()函数产生随机数前&＃xff0c;必须先利用srand()设好随机数种子seed,如果未设随机数种子&＃xff0c;rand()在调用时会自动设随机数种子为1&＃xff08;有人说默认是0&＃xff0c;困惑中&＃xff09;。上面的两个例子就是因为没有设置随机数种子&＃xff0c;每次随机数种子都自动设成相同值1&＃xff0c;进而导致rand()所产生的随机数值都一样。(可能有人知道C语言中的随机函数random&＃xff0c;可是random函数并不是ANSIC标准&＃xff0c;所以说&＃xff0c;random函数不能在gcc,vc等编译器下编译通过。我们可以自己编一个^0^&＃xff09;我们需要使程序每一次使用的种子都不一样&＃xff0c;现在主要问题是种子srand的选择是不是接近随机&＃xff08;不存在完全随机&＃xff09;&＃xff0c;你也可以人为指定种子数。

Windows9x/NT的游戏FreeCell就允许用户指定种子数&＃xff0c;这样用户如果一次游戏没有成功&＃xff0c;下次还可以以同样的发牌结果再玩一次。但我们还是喜欢系统自动生成……最简单的方法就是利用系统时间了&＃xff08;几乎所有的人都这么做&＃xff09;&＃xff0c;因为时间的数值随时间变化而变化&＃xff0c;运行两次&＃xff0c;一般不会出现前一次和后一次相同的局面&＃xff0c;time(NULL)会返回一个表示当前系统时间的整数&＃xff08;它在time.h中&＃xff0c;据说time()函数求出来的是自1970年1月1日到现在的秒数&＃xff0c;有的说是unix元年&＃xff0c;不知道这两个是不是一天……:&＃xff08;&＃xff0c;另外有的嫌麻烦会写作time&＃xff08;0&＃xff09;&＃xff09;。我们这么来写&＃xff1a;

#include#include#includevoid main(){srand((int)time(0));for(int x&＃61;0;x<10;x&＃43;&＃43;)printf("%d\n",(rand());}

 据说如果软件一直开两天&＃xff0c;种子会有1/(60*60*24)个可能会重复&＃xff0c;虽说这对于一般人已经绝对足够了&＃xff0c;但纵然人不舒服&＃xff0c;于是我在网上开到有这么写的&＃xff1a;

#include#include#include#includevoid main(void){int i;unsigned int seedVal;struct timeb timeBuf;ftime(&timeBuf);seedVal&＃61;((((unsigned int)timeBuf.time&0xFFFF)&＃43;(unsigned int)timeBuf.millitm)^(unsigned int)timeBuf.millitm);srand((unsigned int)seedVal);for(i&＃61;0;i<10;&＃43;&＃43;i)printf("%6d\n",rand());}

“上面的程序先是调用_ftime()来检查当前时间&＃xff0c;并把它的值存入结构成员timeBuf.time中&＃xff0c;当前时间的值从1970年1月1日开始以秒计算。在调用了_ftime()之后&＃xff0c;在结构timeBuf的成员millitm中还存入了当前那一秒已经度过的毫秒数&＃xff0c;但在DOS中这个数字实际上是以百分之一秒来计算的。然后&＃xff0c;把毫秒数和秒数相加&＃xff0c;再和毫秒数进行异或运算。当然也可以对这两个结构成员进行更多的计算&＃xff0c;以控制seedVal的取值范围&＃xff0c;并进一步加强它的随机性&＃xff0c;但上例用的逻辑运算就已经足够了。”

看下面代码&＃xff1a;

void main(){for(int i&＃61;0;i<100000;i&＃43;&＃43;){srand( (unsigned)time( NULL ) );printf&＃xff08;"%d\n",rand());}}

为什么总是生成一个数&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff1f;因为此程序产生一个随机数之前&＃xff0c;都调用一次srand&＃xff0c;而由于计算机运行很快&＃xff0c;所以每用time得到的时间都是一样的&＃xff08;time的时间精度较低&＃xff0c;只有55ms&＃xff09;。这样相当于使用同一个种子产生随机序列&＃xff0c;所以产生的随机数总是相同的。把srand放在循环外看看&＃xff1a;

srand( (unsigned)time( NULL ) );

for(int i&＃61;0;i<100000;i&＃43;&＃43;)

问题解决了&＃xff1a;&＃xff09;

既然生成的是

0&＃xff0d;RAND_MAX之间均匀分布的随机整数&＃xff08;我们姑且把以上方法生成的是理想的随机数吧&＃xff09;&＃xff0c;那么要生成0-x之间(包括0不包括x)的随机数就把rand&＃xff08;&＃xff09;改成 

rand()/(double)RAND_MAX*x &＃xff0c;要生成x-y之间&＃xff08;包括x不包括y&＃xff09;的就是 

rand()/(double)RAND_MAX*(y-x)&＃43;x   了。但是如果要生0-10之间的整数很多人会这么写&＃xff1a;

#include#include#includevoid main(){srand((int)time(0));for(int x&＃61;0;x<10;x&＃43;&＃43;)printf("%d\n",(rand()%10);}

x-y的就是 rand()%(y-x)&＃43;x

???懂一点概率的就知道这样写&＃xff0c;会使得到的数列分布不均的&＃xff0c;但是大家确实都喜欢这么写……因为在x的值比较小&＃xff0c;RAND_MAX相对较大&＃xff0c;而生成的数列有不算太大&＃xff0c;又是用来解决精确度要求不高的问题&＃xff08;如一些游戏目标,传说游戏中踩地雷式的遇敌就是用rand()实现的.

当主角在地图上走的时候动不动冒出三两小兵挑衅兼找死.它的实现方式是设主角所立位置为0&＃xff0c;主角每走一步&＃xff0c;变量加1&＃xff0c;当变量&＃61;&＃61;随机取得的数时&＃xff0c;小兵出现&＃xff09;&＃xff0c;这样写足够了……

下面再讨论生成m个小于n的不重复随机数的算法

本人认为算法结构很重要&＃xff0c;但语句结构也很重要&＃xff0c;所以我喜欢一个算法给出多个语句结构……

最容易想到的傻瓜算法&＃xff0c;逐个产生这些随机数&＃xff0c;每产生一个&＃xff0c;都跟前面的随机数比较&＃xff0c;如果重复&＃xff0c;就重新产生&＃xff1a;

算法一&＃xff08;1&＃xff09;

srand((unsigned)time(NULL));for(j &＃61; 0; j

很早的时候学编程都喜欢用goto语句&＃xff0c;因为过去算法是用流程图表示的&＃xff0c;用goto可以直接转译&＃xff0c;而且循环语句发展不完善&＃xff0c;仅仅是作为条件分支的一个补充&＃xff0c;如果条件分支箭头向上就是一个循环&＃xff0c;而且goto可以实现过去循环所不能实现的结构&＃xff0c;形成很巧妙的循环交叉。所以过去一般认为有两种结构&＃xff0c;顺序和分支&＃xff0c;循环是分支的特殊情况。但是break和continue语句使这些结构实现成为可能&＃xff0c;后来发现goto的使用会造成维护和调试的许多麻烦&＃xff0c;所以循环逐渐代替了goto&＃xff0c;使程序更有层次。现在编程不建议用goto了&＃xff0c;如果用goto还会被认为编程修养不好……言归正题&＃xff0c;把它的goto去掉&＃xff1a;

算法一&＃xff08;2&＃xff09;

srand((unsigned)time(NULL));j&＃61;0;while (j{a[j] &＃61; rand() % n ;for(i&＃61;0;iif(ij&＃43;&＃43;}

 但是后来都建议用for循环&＃xff0c;这样可以使循环条件跟紧凑&＃xff1a;

算法一&＃xff08;3&＃xff09;

srand((unsigned)time(NULL));for(j&＃61;0;j

但这是个很笨的方法&＃xff0c;且比较次数呈线性增长&＃xff0c;越往后次数越多……另一个想法是生成一个就把它从中去掉&＃xff0c;就可以实现不重复了&＃xff1a;

算法二&＃xff08;1&＃xff09;

for (i&＃61;0;i

b[]是生成的随机数列

 这样做也太麻烦了&＃xff0c;生成的直接做个标记不就行了&＃xff1f;

算法三&＃xff08;1-1&＃xff09;

i&＃61;rand()%m;a[i]&＃61;1;b[0]&＃61;i;for(j&＃61;1;j

写紧凑一些吧&＃xff0c;直接&＃xff1a;

算法三&＃xff08;1-2&＃xff09;

for(j&＃61;0;j

但是我看到了更简洁的&＃xff1a;

int n&＃61;某值&＃xff1b;int a[n]&＃61;{0}&＃xff1b;for (i&＃61;1;i<&＃61;n;i&＃43;&＃43;){while(a[x&＃61;rand()%n]);a[x]&＃61;i;}

这个无循环体的while保证a[m]是初始化的0状态。这生成了n个&＃xff0c;我们只取m个&＃xff0c;这太浪费了&＃xff0c;结合一下&＃xff1a;

int n&＃61;某值&＃xff0c;m&＃61;某值&＃xff1b;int a[n]&＃61;{0},b[m]for (i&＃61;1;i<&＃61;n;i&＃43;&＃43;){while(a[x&＃61;rand()%n]);b[i]&＃61;x;a[x]&＃61;1;}

但是总叫人不舒服&＃xff0c;对这种算法谁有更好的写法呢&＃xff1f;

这种算法越到后面&＃xff0c;遇到已使用过的元素的可能性越高&＃xff0c;重复次数就越多&＃xff0c;但是当m较小时还是很好的&＃xff1a;&＃xff09;

这都不太让人满意么&＃xff1f;看看下面这个&＃xff1a;

算法四&＃xff08;1&＃xff09;

for (i&＃61;0;i0;i--){w&＃61;rand()%i;t&＃61;a[i];a[i]&＃61;a[w];a[w]&＃61;t;}

这个算法很不错&＃xff0c;有人会怀疑其随机性&＃xff0c;但个人认为是没问题的&＃xff0c;首先第二行按顺序用0到n填满整个数组&＃xff1b;第三行&＃xff0c;是随机产生从0到n-2个数组下标&＃xff0c;把这个下标的元素值跟n-1下标的元素值交换&＃xff0c;一直进行到下标为1的元素。因此它只需要遍历一次就能产生全部的随机数。

但这样会生成n个小于n的随机数&＃xff0c;我们只要m个&＃xff0c;再加两句&＃xff1a;

for(i&＃61;0;i

 b[i]&＃61;a[i];

b[]是生成的随机数列

 如果m和n很接近的话或者相等是最好&＃xff0c;但可能不是……那改一下&＃xff1a;

算法四&＃xff08;2&＃xff09;

for (i&＃61;0;i

但是条件反过来了&＃xff0c;如果m远小于n还行&＃xff0c;如果接近&＃xff0c;其随机性就存在问题了&＃xff08;为什么&＃xff1f;&＃xff09;&＃xff0c;再改一下&＃xff1a;

算法四&＃xff08;3&＃xff09;

for (i&＃61;0;i

这样可以万无一失了……

希望对大家有帮助&＃xff01;

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