C语言产生各种随机数

1. 基本函数
   
    在C语言中取随机数所需要的函数是:

int rand(void);
void srand (unsigned int n);

    rand()函数和srand()函数被声明在头文件stdlib.h中,所以要使用这两个函数必须包含该头文件:

#include <stdlib.h>

 


 

2. 使用方法

 

    rand()函数返回0到RAND_MAX之间的伪随机数(pseudorandom)。RAND_MAX常量被定义在stdlib.h头文件中。其值等于32767,或者更大。

 

    srand()函数使用自变量n作为种子,用来初始化随机数产生器。只要把相同的种子传入srand(),然后调用rand()时,就会产生相同的随机数序列。因此,我们可以把时间作为srand()函数的种子,就可以避免重复的发生。如果,调用rand()之前没有先调用srand(),就和事先调用srand(1)所产生的结果一样。

 

 

 

 

 

 

for (int i=0; i<10; i++)
{
    printf("%d ", rand()%10);
}

 

    每次运行都将输出:1 7 4 0 9 4 8 8 2 4

 

 

srand(1);
for (int i=0; i<10; i++)
{
    printf("%d ", rand()%10);
}

 

    每次运行都将输出:1 7 4 0 9 4 8 8 2 4

    例2的输出结果与例1是完全一样的。

 


srand(8);
for (int i=0; i<10; i++)
{
    printf("%d ", rand()%10);
}

 

    每次运行都将输出:4 0 1 3 5 3 7 7 1 5

   该程序取得的随机值也是在[0,10)之间,与srand(1)所取得的值不同,但是每次运行程序的结果都相同。

 


srand((unsigned)time(NULL));
for (int i=0; i<10; i++)
{
    printf("%d ", rand()%10);
}

 

     该程序每次运行结果都不一样,因为每次启动程序的时间都不同。另外需要注意的是,使用time()函数前必须包含头文件time.h。

 


 

3. 注意事项

  • 求一定范围内的随机数。

     如要取[0,10)之间的随机整数,需将rand()的返回值与10求模。

 

randnumber = rand() % 10;

 

     那么,如果取的值不是从0开始呢?你只需要记住一个通用的公式。

     要取[a,b)之间的随机整数(包括a,但不包括b),使用:

     (rand() % (b - a)) + a

  • 伪随机浮点数。

     要取得0~1之间的浮点数,可以用:  

     rand() / (double)(RAND_MAX)

     如果想取更大范围的随机浮点数,比如0~100,可以采用如下方法:

     rand() /((double)(RAND_MAX)/100)

     其他情况,以此类推,这里不作详细说明。

     当然,本文取伪随机浮点数的方法只是用来说明函数的使用办法,你可以采用更好的方法来实现。

 

 

    举个例子,假设我们要取得0~10之间的随机整数(不含10本身):

大家可能很多次讨论过随机数在计算机中怎样产生的问题,在这篇文章中,我会对这个问题进行更深入的探讨,阐述我对这个问题的理解。

     首先需要声明的是,计算机不会产生绝对随机的随机数,计算机只能产生“伪随机数”。其实绝对随机的随机数只是一种理想的随机数,即使计算机怎样发展,它也不会产生一串绝对随机的随机数。计算机只能生成相对的随机数,即伪随机数。

     伪随机数并不是假随机数,这里的“伪”是有规律的意思,就是计算机产生的伪随机数既是随机的又是有规律的。怎样理解呢?产生的伪随机数有时遵守一定的规律,有时不遵守任何规律;伪随机数有一部分遵守一定的规律;另一部分不遵守任何规律。比如“世上没有两片形状完全相同的树叶”,这正是点到了事物的特性,即随机性,但是每种树的叶子都有近似的形状,这正是事物的共性,即规律性。从这个角度讲,你大概就会接受这样的事实了:计算机只能产生伪随机数而不能产生绝对随机的随机数。

 


 

     那么计算机中随机数是怎样产生的呢?有人可能会说,随机数是由“随机种子”产生的。没错,随机种子是用来产生随机数的一个数,在计算机中,这样的一个“随机种子”是一个无符号整形数。那么随机种子是从哪里获得的呢?

     下面看这样一个C程序:

 

//rand01.c

#include<dos.h>

static unsigned int RAND_SEED;

unsigned int random(void)
{
    RAND_SEED=(RAND_SEED*123+59)%65536;
    return(RAND_SEED);
}

void random_start(void)
{
    int temp[2];
    movedata(0x0040,0x006c,FP_SEG(temp),FP_OFF(temp),4);

    RAND_SEED=temp[0];
}

main()
{
    unsigned int i,n;
    random_start();
    for(i=0;i<10;i++)
        printf("%u\t",random());
    printf("\n");
}

 

     这个程序(rand01.c)完整地阐述了随机数产生的过程:
     首先,主程序调用random_start()方法,random_start()方法中的这一句我很感兴趣:

    movedata(0x0040,0x006c,FP_SEG(temp),FP_OFF(temp),4);

     这个函数用来移动内存数据,其中FP_SEG(far pointer to segment)是取temp数组段地址的函数,FP_OFF(far pointer to offset)是取temp数组相对地址的函数,movedata函数的作用是把位于0040:006CH存储单元中的双字放到数组temp的声明的两个存储单元中。这样可以通过temp数组把0040:006CH处的一个16位的数送给RAND_SEED。

     random用来根据随机种子RAND_SEED的值计算得出随机数,其中这一句:

     RAND_SEED = (RAND_SEED*123+59)e536;

     是用来计算随机数的方法,随机数的计算方法在不同的计算机中是不同的,即使在相同的计算机中安装的不同的操作系统中也是不同的。我在linux和windows下分别试过,相同的随机种子在这两种操作系统中生成的随机数是不同的,这说明它们的计算方法不同。

     现在,我们明白随机种子是从哪儿获得的,而且知道随机数是怎样通过随机种子计算出来的了。那么,随机种子为什么要在内存的0040:006CH处取?0040:006CH处存放的是什么?

     学过《计算机组成原理与接口技术》这门课的人可能会记得在编制ROM BIOS时钟中断服务程序时会用到Intel 8253定时/计数器,它与Intel 8259中断芯片的通信使得中断服务程序得以运转,主板每秒产生的18.2次中断正是处理器根据定时/记数器值控制中断芯片产生的。在我们计算机的主机板上都会有这样一个定时/记数器用来计算当前系统时间,每过一个时钟信号周期都会使记数器加一,而这个记数器的值存放在哪儿呢?没错,就在内存的0040:006CH处,其实这一段内存空间是这样定义的:

       TIMER_LOW     DW ? ;地址为 0040:006CH
      TIMER_HIGH    DW ? ;地址为 0040:006EH
      TIMER_OFT     DB ? ;地址为 0040:0070H

      时钟中断服务程序中,每当TIMER_LOW转满时,此时,记数器也会转满,记数器的值归零,即TIMER_LOW处的16位二进制归零,而TIMER_HIGH加一。rand01.c中的

     movedata(0x0040,0x006c,FP_SEG(temp),FP_OFF(temp),4);

      正是把TIMER_LOW和TIMER_HIGH两个16位二进制数放进temp数组,再送往RAND_SEED,从而获得了“随机种子”。

      现在,可以确定的一点是,随机种子来自系统时钟,确切地说,是来自计算机主板上的定时/计数器在内存中的记数值。这样,我们总结一下前面的分析,并讨论一下这些结论在程序中的应用:

     1.随机数是由随机种子根据一定的计算方法计算出来的数值。所以,只要计算方法一定,随机种子一定,那么产生的随机数就不会变。

     看下面这个C++程序:

 

//rand02.cpp

#include <iostream>
#include <ctime>
using namespace std;

int main()
{
    unsigned int seed = 5;
    srand(seed);
    unsigned int r = rand();
    cout << r << endl;
}

 

      在相同的平台环境下,编译生成exe后,每次运行它,显示的随机数都是一样的。这是因为在相同的编译平台环境下,由随机种子生成随机数的计算方法都是一样的,再加上随机种子一样,所以产生的随机数就是一样的。

      2.只要用户或第三方不设置随机种子,那么在默认情况下随机种子来自系统时钟(即定时/计数器的值)

     看下面这个C++程序:

 

//rand03.cpp

#include <iostream>
#include <ctime>
using namespace std;

int main()
{

    srand((unsigned)time(NULL));
    unsigned int r = rand();
   cout << r << endl;
    return 0;
}

 

     这里用户和其他程序没有设定随机种子,则使用系统定时/计数器的值做为随机种子,所以,在相同的平台环境下,编译生成exe后,每次运行它,显示的随机数会是伪随机数,即每次运行显示的结果会有不同。

 

3.建议:如果想在一个程序中生成随机数序列,需要至多在生成随机数之前设置一次随机种子。

    看下面这个用来生成一个随机字符串的C++程序:

//rand04.cpp

#include<iostream>
#include<time.h>
using namespace std;

int main()
{
    int rNum,m = 20;
    char *ch = new char[m];

    for ( int i = 0; i < m; i++ )

    {
       
 //大家看到了,随机种子会随着for循环在程序中设置多次
        srand((unsigned)time(NULL));
        rNum = 1+(int)((rand()/(double)RAND_MAX)*36);
 //求随机值

        switch (rNum)

        {
        case 1: ch[i]='a';
            break ;
        case 2: ch[i]='b';
            break ;
        case 3: ch[i]='c';
           break ;
        case 4: ch[i]='d';
            break ;
        case 5: ch[i]='e';
            break ;
        case 6: ch[i]='f';
            break ;
        case 7: ch[i]='g';
            break ;
        case 8: ch[i]='h';
            break ;
        case 9: ch[i]='i';
            break ;
        case 10: ch[i]='j';
           break ;
        case 11: ch[i]='k';
           break ;
       case 12: ch[i]='l';
            break ;
        case 13: ch[i]='m';
            break ;
        

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