C＃中生成随机浮点数的最佳方法

怼烎@ 2022-09-11 08:23 139阅读 0赞

更新：我想要从float.Minvalue到float.Maxvalue的随机浮点数。 我在一些数学方法的单元测试中使用这些数字。

[c\#][c] [random][] [floating-point][]

[KrisTrip][] asked 2020-01-21T10:48:33Z

7个解决方案

63 votes

最佳方法，没有疯狂的值，相对于浮点数线上的可表示间隔分布（相对于连续数线而言，“统一”被删除是绝对不均匀的）：

static float NextFloat(Random random)
    {
        double mantissa = (random.NextDouble() * 2.0) - 1.0;
        // choose -149 instead of -126 to also generate subnormal floats (*)
        double exponent = Math.Pow(2.0, random.Next(-126, 128));
        return (float)(mantissa * exponent);
    }

（\*）...检查此处是否有不正常的浮标

警告：也会产生正无穷大！ 为安全起见，请选择127的指数。

另一种方法将为您提供一些疯狂的值（位模式的均匀分布），这可能对模糊测试很有用：

static float NextFloat(Random random)
    {
        var buffer = new byte[4];
        random.NextBytes(buffer);
        return BitConverter.ToSingle(buffer,0);
    }

此版本比以前的版本有所改进，它不会创建“疯狂的”值（无穷大也没有NaN），并且速度仍然很快（也就浮点数行上的可表示间隔进行了分布）：

public static float Generate(Random prng)
    {
        var sign = prng.Next(2);
        var exponent = prng.Next((1 << 8) - 1); // do not generate 0xFF (infinities and NaN)
        var mantissa = prng.Next(1 << 23);
    
        var bits = (sign << 31) + (exponent << 23) + mantissa;
        return IntBitsToFloat(bits);
    }
    
    private static float IntBitsToFloat(int bits)
    {
        unsafe
        {
            return *(float*) &bits;
        }
    }

最少有用的方法：

static float NextFloat(Random random)
    {
        // Not a uniform distribution w.r.t. the binary floating-point number line
        // which makes sense given that NextDouble is uniform from 0.0 to 1.0.
        // Uniform w.r.t. a continuous number line.
        //
        // The range produced by this method is 6.8e38.
        //
        // Therefore if NextDouble produces values in the range of 0.0 to 0.1
        // 10% of the time, we will only produce numbers less than 1e38 about
        // 10% of the time, which does not make sense.
        var result = (random.NextDouble()
                      * (Single.MaxValue - (double)Single.MinValue))
                      + Single.MinValue;
        return (float)result;
    }

浮点数行来自：英特尔架构软件开发人员手册第1卷：基本架构。 Y轴是对数的（以2为底），因为连续的二进制浮点数没有线性差异。

[user7116][] answered 2020-01-21T10:49:14Z

26 votes

有什么理由不使用`float.MinValue`，然后转换为`float.MaxValue`？ 这将使您在0到1之间浮动。

如果您想要其他形式的“最佳”，则需要指定您的要求。 请注意，不应将`float.MinValue`用于诸如财务或安全之类的敏感事务，并且通常应在整个应用程序中重用一个现有实例，或者在每个线程中重用一个实例（因为`float.MaxValue`并不是线程安全的）。

编辑：如注释中所建议，将其转换为`float.MinValue`，`float.MaxValue`的范围：

// Perform arithmetic in double type to avoid overflowing
    double range = (double) float.MaxValue - (double) float.MinValue;
    double sample = rng.NextDouble();
    double scaled = (sample * range) + float.MinValue;
    float f = (float) scaled;

编辑：现在您已经提到这是用于单元测试的，我不确定这是理想的方法。 您可能应该改为使用具体值进行测试-确保使用每个相关类别中的样本进行测试-无穷大，NaN，非正规数，非常大的数，零等。

[Jon Skeet][] answered 2020-01-21T10:49:48Z

5 votes

还有一个版本...（我认为这个版本还不错）

static float NextFloat(Random random)
    {
        (float)(float.MaxValue * 2.0 * (rand.NextDouble()-0.5));
    }
    
    //inline version
    float myVal = (float)(float.MaxValue * 2.0 * (rand.NextDouble()-0.5));

我认为这...

*  是第二快的（请参阅基准）
 *  分布均匀

还有一个版本...（不是很好，但仍然发布）

static float NextFloat(Random random)
    {
        return float.MaxValue * ((rand.Next() / 1073741824.0f) - 1.0f);
    }
    
    //inline version
    float myVal = (float.MaxValue * ((rand.Next() / 1073741824.0f) - 1.0f));

我认为这...

*  是最快的（请参阅基准）
 *  是均匀分布的，但是因为Next（）是一个31位随机值，它将仅返回2 ^ 31个值。 （50％的邻居值将具有相同的值）

测试此页面上的大多数功能：（i7，发布，不带调试，2 ^ 28个循环）

Sunsetquest1: min: 3.402823E+38  max: -3.402823E+38 time: 3096ms
     SimonMourier: min: 3.402823E+38  max: -3.402819E+38 time: 14473ms
     AnthonyPegram:min: 3.402823E+38  max: -3.402823E+38 time: 3191ms
     JonSkeet:     min: 3.402823E+38  max: -3.402823E+38 time: 3186ms
     Sixlettervar: min: 1.701405E+38  max: -1.701410E+38 time: 19653ms
     Sunsetquest2: min: 3.402823E+38  max: -3.402823E+38 time: 2930ms

[Sunsetquest][] answered 2020-01-21T10:50:43Z

3 votes

我采取的方法与其他方法略有不同

static float NextFloat(Random random)
    {
        double val = random.NextDouble(); // range 0.0 to 1.0
        val -= 0.5; // expected range now -0.5 to +0.5
        val *= 2; // expected range now -1.0 to +1.0
        return float.MaxValue * (float)val;
    }

这些评论说明了我在做什么。 获取下一个双精度数，将该数字转换为-1和1之间的值，然后将其乘以`float.MaxValue`。

[Anthony Pegram][] answered 2020-01-21T10:51:08Z

0 votes

另一个解决方案是这样做：

static float NextFloat(Random random)
    {
        float f;
        do
        {
            byte[] bytes = new byte[4];
            random.NextBytes(bytes);
            f = BitConverter.ToSingle(bytes, 0);
        }
        while (float.IsInfinity(f) || float.IsNaN(f));
        return f;
    }

[Simon Mourier][] answered 2020-01-21T10:51:28Z

0 votes

这是我想出的另一种方法：假设您想获得介于5.5和7之间的浮点数（带有3个小数）。

float myFloat;
    int myInt;
    System.Random rnd = new System.Random();
    
    void GenerateFloat()
    {
    myInt = rnd.Next(1, 2000);
    myFloat = (myInt / 1000) + 5.5f;
    }

这样，您将始终获得大于5.5的数字而小于7的数字。

[Qedized][] answered 2020-01-21T10:51:52Z

0 votes

我更喜欢使用下面的代码来生成一个十进制数字，直到第一个小数点。 您可以复制粘贴第三行以在小数点后添加更多数字，方法是将该数字附加在字符串“ combined”中。 您可以通过将0和9更改为首选值来设置最小值和最大值。

Random r = new Random();
    string beforePoint = r.Next(0, 9).ToString();//number before decimal point
    string afterPoint = r.Next(0,9).ToString();//1st decimal point
    //string secondDP = r.Next(0, 9).ToString();//2nd decimal point
    string combined = beforePoint+"."+afterPoint;
    decimalNumber= float.Parse(combined);
    Console.WriteLine(decimalNumber);

translate from [https://stackoverflow.com:/questions/3365337/best-way-to-generate-a-random-float-in-c-sharp][https_stackoverflow.com_questions_3365337_best-way-to-generate-a-random-float-in-c-sharp]

[c]: https://www.itranslater.com/tag/2096370494780998656
[random]: https://www.itranslater.com/tag/2096472942031930368
[floating-point]: https://www.itranslater.com/tag/2096676882480628736
[KrisTrip]: https://stackoverflow.com/users/99367/kristrip
[user7116]: https://stackoverflow.com/users/7116
[Jon Skeet]: https://stackoverflow.com/users/22656/jon-skeet
[Sunsetquest]: https://stackoverflow.com/users/2352507/sunsetquest
[Anthony Pegram]: https://stackoverflow.com/users/414076/anthony-pegram
[Simon Mourier]: https://stackoverflow.com/users/403671/simon-mourier
[Qedized]: https://stackoverflow.com/users/8620432/qedized
[https_stackoverflow.com_questions_3365337_best-way-to-generate-a-random-float-in-c-sharp]: https://stackoverflow.com/questions/3365337/best-way-to-generate-a-random-float-in-c-sharp