【C/C++】伪随机数


伪随机数

首先我们必须要明确的是,计算机里头产生的“随机数”不是真正意义上的随机数,它是计算机中的随机函数按照某种特定算法模拟产生的,可以说我们按照这个算法而算出来的结果都是确定的。如何去理解这段话呢?就像简单的1+1算式,我们按照规定的加法算法算出来了结果2,这个结果完全是确定的,出现这个结果的概率是1,这就不再是随机事件,而是必然事件了。真正意义上的随机数在现实中是随机产生的,不能被预知,是随机事件,这点需要与计算机的“随机数”进行区别,因此我们也把计算机的“随机数”称作伪随机数,伪随机数只是计算机对现实随机数的一种模拟结果。


生成过程

直接调用

用C/C++生成伪随机数十分简单,只需要使用一个能够生成伪随机数的函数rand()即可,使用rand()时需要在源代码头部加上预编译指令#include <stdlib.h>或者#include <cstdlib>,否则会编译不通过。这两条指令的区别是,前者适用于C语言,后者则适用于C++。简易的代码如下:

#include <cstdio>
#include <cstdlib>

int main()
{
    printf("%d\n",rand());  //直接调用rand()函数输出即可
    return 0;
}

在这里,我们发现了个问题,使用这段代码输出的伪随机数不论程序运行几次都是不变的,生成的值都是固定的……知道为什么叫伪随机数了吧,毕竟都是按照特定算法算出来的,只是直接调用并不能用来模拟随机的过程!那我们该怎么办呢?

时间初始化

要想用C/C++模拟出随机数,除了用到rand()函数,还需要用到srand()time()这两种函数。那么,我们先来认识一下这三种函数:

  • rand()能够产生伪随机数的随机函数,产生的值在0~RAND_MAX之间,一般来说RAND_MAX的大小由系统决定。直接调用该函数将返回的模拟的伪随机数,类型为整数(可以是int,也可以是long long,只要是整数即可)
  • srand()伪随机数发生器的初始化函数,原型void srand(unsigned int seed)rand()可以通过srand()的seed参数值(种子值)产生一系列伪随机数。
  • time()该函数可以返回自UNIX纪元起至当前时刻的秒数,使用time(NULL)time(0)来获取当前系统时间,函数原型time_t time(time_t *t)

现在,我们可以很好的解释为什么直接调用rand()产生的数值都是固定不变的,因为srand()的初始化种子值都是固定不变的。为什么呢?如果没有事先设置srand(),会默认种子值为1,即unsigned int seed = 1,从而导致rand()根据其产生的伪随机数都是不变的数值。
我们需要引入一场变化,通过什么呢?当然是时间!时间始终在变化着,需要用到time(NULL)来引入变化的时间,将其作为初始化函数的参数!使用time()函数需要加上预编译指令#include <time.h>或者#include <ctime>。生成伪随机数的代码如下:

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

int main()
{
    srand(time(NULL));  //初始化函数引入变化的时间种子参数
    printf("%d\n",rand());
    return 0;
}

如果使用C++,运用流输入输出可能是更加简便,毋须指明相应的格式符,只要加上#include <iostream>就可以直接使用std::cinstd::cout,不过相比于scanf()printf()速度要慢得多,在算法竞赛里不推荐使用。


使用方法

特定范围的伪随机数

我们往往需要产生的是某一特定范围的随机数,那我们应该如何编写代码呢?其实道理很简单,只需对rand()取余即可,代码如下:

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

int main()
{
    srand(time(NULL));
    int n;
    int a;  
    scanf("%d",&n);
    scanf("%d",&a);
    printf("%d\n",a+rand()%n);  //产生[a,n+a)范围内的伪随机数
    return 0;
}

伪随机小数

如果我们需要产生[0,1]的小数,该如何编写代码呢?这里有个简单的方法,如果需要2位小数,就将rand()对101取余,再除以100.0即可得到满足要求的伪随机小数。同理,需要3位小数,就对1001取余再除以1000.0。代码如下:

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

int main()
{
    srand(time(NULL));
    printf("%.2f\n",(rand()%101)/100.0);  //获得[0,1]之内的2位随机小数
    return 0;
}

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