伪随机数C语言编程

偏执的太偏执、 2022-05-21 23:08 206阅读 0赞

在程序设计中，有时会用到随机数。本文介绍在 Linux 编程环境下，如何生成伪随机数。

# 什么是伪随机数 #

伪随机数是通过一个确定性的算法计算出来的“似乎”是随机的数序，因此伪随机数实际上*并不随机*。在计算伪随机数时，假如初始值不变的话，那么伪随机数的数序也不变。

# 伪随机数的优点 #

要产生真正的随机数，必须使用专门的设备，比如热噪信号、量子力学效应、放射性元素的衰退辐射，或使用无法预测的现象等。而伪随机数计算比较简单，不需要外部特殊硬件的支持，因此在计算机科学中伪随机数依然被使用。

# 伪随机数的缺点 #

由于伪随机数不是真的随机数，在有些方面它们不能被使用。例如在密码学中使用伪随机数要小心，因为其可计算性是一个可以攻击的地方。统计学、蒙特·卡罗方法上使用的伪随机数也必须挑选周期极长、随机性够高的随机函数，以确保计算结果有足够的随机性。

# 利用 `rand()` 函数生成伪随机数 #

函数原型：

//需要包含头文件 <stdlib.h> 
    int rand(void);

Linux 中的`rand()`函数会返回一随机数值，其范围在`0`至`RAND_MAX` 间。这里的`RAND_MAX`定义在`stdlib.h`中（如下图的128行所示），值为 2147483647（=2^31-1）。  
![这里写图片描述][70]

以下例子利用 `rand()` 函数生成伪随机数。

#include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    
    #define RAND_NUM 5
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        for(int i=0; i< RAND_NUM; ++i)
            printf( "%d ", rand() );
    
        printf("\n");
        return 0;
    }

编译后连续运行两次，结果是：

$ ./rand
    1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793 
    $ ./rand
    1804289383 846930886 1681692777 1714636915 1957747793

为什么会这样呢？

计算机产生的伪随机数是通过递推的方法得来的，必须要有一个初始值，也就是通常所说的种子。如果不对种子进行初始化，那么计算机会使用一个默认值。由于两次运行中初始值一样（都是默认值），递推公式也一样，所以才有完全一样的伪随机序列。

对于`rand()`函数，如果未设随机数种子，`rand()`在被调用时会自动设随机数种子为`1`。

要想避免这种结果，就需要在每次程序运行时对种子进行初始化 ，且初始值不一样（比如到目前为止经过的时间 ）。

# 获取当前时间（以秒计算） #

函数原型：

// 需要包含头文件 <time.h> 
    time_t time (time_t* timer);

`time_t`其实是一个长整形。

`time_t time (time_t* timer)`函数的用法是：

当参数为NULL的时候，返回从1970年1月1日0时0分0秒到此时的秒数；当参数不为NULL的时候，不仅返回从1970年1月1日0时0分0秒到此时的秒数，还把返回值存储到参数指向的`time_t`类型的变量里。

# 设置种子 #

函数原型：

// 需要包含头文件 <stdlib.h> 
    void srand (unsigned int seed);

`srand`函数把种子值作为参数。结合函数`time_t time (time_t* timer)`，我们可以这样设置种子：

srand( (unsigned int)time(NULL) );

# 参考代码 #

#include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <time.h>
    
    #define RAND_NUM 5
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        srand( (unsigned int)time(NULL) );
    
        for(int i=0; i< RAND_NUM; ++i)
            printf( "%d ", rand()%100 );
    
        printf("\n");
        return 0;
    }

实验结果如下：

$ ./rand
    61 71 64 35 13 
    $ ./rand
    50 11 83 43 69 
    $ ./rand
    68 32 35 94 83

【完】

# 参考资料 #

[http://txgcwm.github.io/blog/2013/07/07/linuxxia-cyu-yan-wei-sui-ji-shu-bian-cheng/][http_txgcwm.github.io_blog_2013_07_07_linuxxia-cyu-yan-wei-sui-ji-shu-bian-cheng]

[https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%AA%E9%9A%8F%E6%9C%BA%E6%80%A7][https_zh.wikipedia.org_wiki_E4_BC_AA_E9_9A_8F_E6_9C_BA_E6_80_A7]

[https://blog.csdn.net/duyiwuer2009/article/details/49497199][https_blog.csdn.net_duyiwuer2009_article_details_49497199]

[http://www.cplusplus.com/reference/cstdlib/srand/?kw=srand][http_www.cplusplus.com_reference_cstdlib_srand_kw_srand]

[http://blog.jobbole.com/108049/][http_blog.jobbole.com_108049]

[70]: /images/20220522/d4ea612f73834f9f8d4bc83bf42b0c8f.png
[http_txgcwm.github.io_blog_2013_07_07_linuxxia-cyu-yan-wei-sui-ji-shu-bian-cheng]: http://txgcwm.github.io/blog/2013/07/07/linuxxia-cyu-yan-wei-sui-ji-shu-bian-cheng/
[https_zh.wikipedia.org_wiki_E4_BC_AA_E9_9A_8F_E6_9C_BA_E6_80_A7]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%AA%E9%9A%8F%E6%9C%BA%E6%80%A7
[https_blog.csdn.net_duyiwuer2009_article_details_49497199]: https://blog.csdn.net/duyiwuer2009/article/details/49497199
[http_www.cplusplus.com_reference_cstdlib_srand_kw_srand]: http://www.cplusplus.com/reference/cstdlib/srand/?kw=srand
[http_blog.jobbole.com_108049]: http://blog.jobbole.com/108049/