C/C++生成随机数

一、rand和srand

  在C++11标准出来之前，C/C++都依赖于stdlib.h头文件的rand或者srand来生成随机数。

  其不是真正的随机数，是一个伪随机数，是根据一个数（我们可以称它为种子）为基准以某个递推公式推算出来的一系列数，当这系列数很大的时候，就符合正态公布，从而相当于产生了随机数，但这不是真正的随机数，当计算机正常开机后，这个种子的值是定了的，除非你破坏了系统。

• rand：内部是线性同余实现的，因为周期较长，所以在一定的范围内可看成随机的。系统默认随机种子是1。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。

//函数声明
int rand(void);

• srand：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。

//函数声明
void srand(unsigned int seed);

• 常见用法如下：

  • (rand() % (b - a)) + a ，生成[a, b) 的随机整数
  • (rand() % (b - a + 1)) + a ，生成[a,b] 的随机整数
  • rand() / double(RAND_MAX) ，生成0～1之间的浮点数

• 来个测试代码：

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
using namespace std;
int main()
{
    srand((unsigned)time(NULL));
    for(int i = 0; i < 10;i++ )
        cout << rand() << '\t';
    cout << endl;
    return 0;
}

二、新标准随机数

  有时候程序员需要一些非均匀分布的数，这时候rand就显得不是那么好用，新标准很好解决了这个问题：随机数引擎类和随机数分布类。引擎用来生成随机unsigned整数序列，分布则使用引擎返回服从特定概率分布的随机数。

  标准库定义了多个随机数引擎类，区别在于性能和随机性质量不同。每个编译器都会指定其中一个作为default_random_engine类型。标准库定义的引擎通用操作如下：

操作	解释
Engine e	默认构造函数，使用该引擎默认的种子
Engine e(s)	使用整型值s作为种子
e.seed(s)	使用种子s重置引擎的状态
e.max(), e.min()	该引擎可生成的最大和最小值
Engine::result_type	该引擎生成的unsigned整型类型
e.discard(u)	将引擎推进u步，u为unsigned long long类型

  对于大多数场合，随机数引擎的输出是不能直接使用的，还要配合合适的分布类。均匀分布类为uniform_int_distribution<unsigned>。标准库中的分布类的通用操作如下：

操作	解释
Dist d	默认构造函数
d(e)	用相同的引擎e连续生成随机数序列
d.max(), d.min()	返回d(e)能生成的最大和最小值
d.reset()	重建d的状态，使得随后对d的使用不依赖于d已经生成的值

  以下为简单测试：

#include <iostream>
#include <random>

using namespace std;

int main() {
    //0~9的均匀分布
	uniform_int_distribution<unsigned> u(0,9);
	//若想生成0~1的double
	//uniform_int_distribution<double> u(0,1);
	default_random_engine e;
	for(size_t i = 0; i < 10; i++)
		cout << u(e) << " ";
	//由于是默认的种子，所以应该都是0 1 7 4 5 2 0 6 6 9
	return 0;
}

  为了生成不同的结果，我们可以通过设置种子，为引擎设置种子的方法有两种方式：在创建引擎对象的时候提供种子，或者调用引擎的seed成员。简单测试如下：

#include <iostream>
#include <random>

using namespace std;

int main() {
	default_random_engine e1; //默认种子
	default_random_engine e2(2147483646); //给定的种子
	default_random_engine e3;
	e3.seed(32767); //调用成员seed
	default_random_engine e4(32767); //和e3一样的种子
	uniform_int_distribution<unsigned> u(0,9);
	for(size_t i = 0; i < 10; i++)
		cout << u(e1) << " " << u(e2) << " " << u(e3) << " " << u(e4) << endl;
	return 0;
}

  除了均匀分布下生成unsined整数，我们还可以生成不同分布下别的类型的数值。比如uniform_real_distribution<> u(0,1)生成0~1的double类型值，还有normal_distribution<> n(4,1.5)生成均值为4，标准差为1.5的正态分布double类型值。

实际上，新标准定义了20种分布类型，如有需要，请翻阅C++11文档。