C语言中随机数的生成

MzzPlaystm32 · 发表于 2018-11-5 19:54:55

刚好在找这方面的资料，看到了一片不错的，就全文转过来了，省的我以后再找找不到。

在C语言中，可以通过rand函数得到一个“伪随机数”。这个数是一个整数，其值大于等于0且小于等于RAND_MAX。rand函数和常量RAND_MAX都定义在库stdlib.h之中，这意味着必须在头文件中包含库stdlib.h才能使用rand函数和常量RAND_MAX。

rand函数声明为：
int rand(void)

//代码示例 start
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
printf("%d %d\n", rand(), rand());
}
//代码示例 end

编译运行以上代码，将在屏幕显示两个随机数。但多次运行这个程序，你会发现每次程序启动后生成的两个随机数都是一样的！可见，rand()生成的值并不随机。
标准库（stdlib）中随机数的一个可能的实现如下：
//代码示例 start
#define RAND_MAX 0x7fff
unsigned long int next = 1;

int rand(void)
{
next = next * 1103515245 + 12345;
return (unsigned int)(next/65536) % RAND_MAX;
}

/*srand函数：为rand函数设置种子数*/
void srand(unsigned int seed)
{
next = seed;
}
//代码示例 end

由上可知，只要我们每次在程序运行开始时用srand设置好不同的nex值，那么程序每次运行都将得到不同是随机序列。那又如何给srand传入不同的数呢？随机数？好吧，这下变成鸡生蛋蛋生鸡的问题了。其实不用那么复杂。我们只需要把当前的时间作为srand的参数传入就好了。程序每次运行的时间点是肯定是不一样的。
要获取当前时间，可以使用time库中的time函数。示例如下：
//代码示例 start
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main()
{
srand((int)time(0));
printf("%d %d\n", rand(), rand());
}
//代码示例 end

编译运行上述代码，就能让程序每次运行都得到不同的随机值了。

程序中time(0)函数返回值类型为time_t（time_t定义为长整型），time(0)返回从1970年1月1日零时零分零秒到目前为止所经过的时间，单位为秒。

好了，到目前为止，我们已经解决了如何在区间[0, RAND_MAX]内等概率随机获得一个整数的问题。那么又应该如何等概率的随机获取任意范围内的整数呢？其实只需要对rand()函数生成的随机数进行取模运算就可以了。参考下述代码：
int a = rand() % 100;
int b = rand() % 20 + 5;
执行上述代码后（当然前面应该调用srand函数），获取的整数a是[0， 100)区间的均匀随机整数；而获取的整数b，则是[5, 25)区间的均匀随机整数了。
但紧接着我们不禁要问了：随机浮点数又该怎么生成呢？其实很简单，用rand()生成的数除以RAND_MAX，不就能得到0~1之间的浮点数了么？而要得到区间[a, b]的浮点数，用这个值扩展一下不就好了？比如 s= rand() / RAND_MAX; s = a + (b-a)* s;这样就能得到我们想要的随机数s了。好的，假如我们要得到区间[3, 5]之间的一个随机浮点数，那么很简单，代码如下：
//代码示例 start
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main()
{
float s;
srand((int)time(0));
s = (double)rand() / RAND_MAX;
s = 3 + (5-3) * s;
printf("%f\n", s);
}
//代码示例 end
编译运行，好吧。为什么每次程序运行得到的结果都是3.0呢？程序逻辑没有问题的啊？！
在倒数第三行设置断点调试程序，我们会发现，在第一次完成对s的赋值之后，s的值为0.0。反复运行程序进行调试，s的值都是0.0。为什么s的值总是0.0呢？
原来，在C语言中，如果 / 操作符两边都是整数的话，那么运算后的结果也是一个整数，而且是向下取整的整数。即2 / 3得到0，3 / 2得到1。又由于rand()得到的值总是小于RAND_MAX，因此表达式 rand() / RAND_MAX也就只能得到整数0了，整数0在赋值给s时强制转换为浮点数0.0。
为了让 / 操作符进行浮点运算，我们可以将 / 操作符的操作数转化为浮点数。比如：（float）rand() / RAND_MAX；这样，就能得到我们想要的结果了。正确的例子如下：
//代码示例 start
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main()
{
float s;
srand((int)time(0));
s = (float)rand() / RAND_MAX;
s = 3 + (5-3) * s;
printf("%f\n", s);
}
//代码示例 end