c++随机数问题研究

1、问题背景

某项目中有个复杂的排序,先是各种规则依次排序,最后如果依然并列的话,那就随机位置,名次并列。测试中发现一个诡异现象,并列时随机排序但随机后2个case打印的顺序每次都一样,随机数没有起到任何作用。经过分析发现,随机数种子srand(clock()),本意是希望连续调用这个函数,给多个随机数设置种子,实际上设置的种子相同,最后产生的随机数是伪随机数。那么有没有一种随机数方法可以在较快的循环中,保证随机性呢?

原问题较复杂,给个类似的例子说明具体场景:

void test_random()
{
    vector vec;
    vec.resize(100);
    iota(vec.begin(), vec.end(), 1);
    vector vec2(vec);
    
    srand(clock());
    random_shuffle(vec.begin(), vec.end());
    srand(clock());
    random_shuffle(vec2.begin(), vec2.end());
​
    int cnt = 0;
    cout << "vec:" << endl;
    for (auto v : vec) { 
        cout << v << "  "; 
        if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl;
    }
    cout << endl<< endl;
​
    cnt = 0;
    cout << "vec2:" << endl;
    for (auto v : vec2) {
        cout << v << "  ";
        if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl;
    }
}

输出结果为:

c++随机数问题研究_第1张图片

2、rand()和srand()

rand()和srand()是c函数,在stdlib.h中定义,rand()能产生0--32767范围的随机数。

如果只使用rand,则每次输出的随机数都是一样的,相当于使用srand(1)作为默认种了。如果给定种了,则能产生不同的随机数,所以time或clock函数就是一个好种子,获取计算机的时间,用秒或毫秒来做随机数种子以产生不同的随机数。但是在某些场景下,会引发下列问题:

问题1:在程序运行较慢或不需要连续产生随机数时,用时钟当做种子没有问题,但要快速产生不同的组数的随机数时,就会出现前面出现的现象,较大概率出现相同的随机数。

问题2:如果希望生成某个范围的随机数,则不好控制,通常会采用取模的方式,而这种方式会破坏随机数的分布概率。

// 0--10 的随机数
srand((unsigned int)time(NULL));
int r = rand() % 10
​
// 100--200的随机数
int min = 100;
int max = 200;
srand((unsigned int)time(NULL));
int r = rand() % (max - min) + min
    
// [0--1.0] 浮点数
srand((unsigned int)time(NULL));
float r = rand() % RAND_MAX 

3、c++11 随机数

c++11引入了random头文件,可以更加精确的产生随机数,并且提供了完善的操作接口。C++标准规定了随机数设施,包括均匀随机位生成器(Uniform random bit generators,URBG)和随机数分布等,定义在中。

参考文档:http://www.cplusplus.com/reference/random/?kw=random

This library allows to produce random numbers using combinations of generators and distributions:

  • Generators: Objects that generate uniformly distributed numbers.

  • Distributions: Objects that transform sequences of numbers generated by a generator into sequences of numbers that follow a specific random variable distribution, such as uniform, Normal or Binomial.

random标准款主要包括:

生成器:生成均匀分布伪随机数的对象

分布:将生成器生成的数序列转换为某种特定数学概率分布的序列,如均匀分布、正态分布、泊松分布等。

3.1、生成器

1)random_device生成器

C++11提供了一个random_device随机数类,英文叫“Non-deterministic random number generator”,这是一个非确定性随机数生成器,它并不是由某一个数学算法得到的随机序列,而是通过读取文件,读什么文件看具体的实现(Linux可以通过读取/dev/random文件来获取)。文件的内容是随机的,简单理解即这个类依靠系统的噪声产生随机数。

2)伪随机数引擎

伪随机数引擎,实现方式属于模板类,是使用算法根据初始种子生成伪随机数的生成器。

linear_congruential_engine:线性同余生成引擎,是最常用也是速度最快的,但随机效果一般
mersenne_twister_engine:梅森旋转算法,随机效果最好。
subtract_with_carry_engine:滞后Fibonacci算法。

随机数引擎需要一个 整型参数作为种子,对于给定的单个或多个种子,随机数生成器总会生成相同的序列,这在测试时非常有用。当测试完成,则需要随机的种子以产出不同的随机数,推荐使用random_device作为随机数种子。

3.2、适配器

除了生成器模板库外,c++11还设计了几种适配器。

discard_block_engine: Discard-block random number engine adaptor (class template ) independent_bits_engine: Independent-bits random number engine adaptor (class template ) shuffle_order_engine :Shuffle-order random number engine adaptor (class template )

3.3、随机分布模板类

随机数引擎产生的随机数值都比较大,使用时经常需要限定到一个范围内,c++11提供了符合各种概率分布的随机数生成模板类,比如:均匀分布,正态分布,泊松分布等。

c++随机数问题研究_第2张图片

以均匀分布为例:

template< class IntType = int > class uniform_int_distribution;
template< class RealType = double > class uniform_real_distribution;

测试1:直接使用引擎产生随机数,范围很大。

random_device rd;
mt19937 g(rd());
for (int n = 0; n < 10; ++n)
{
    cout << g() << " ";
}
/* 输出
case 1: 
649838310 2697128147 116396177 1728659882 2608399735 1196122003 1824385544 3670102805 2610106284 1577110367
case 2:
2220490604 2877041131 4118289859 1423499548 3901014967 230558428 3106974485 2887363336 1389836600 4020707730
*/

测试2:使用均匀分布类模板产生随机数,可以限定生成的随机数的范围。

random_device rd;
mt19937 g(rd());
uniform_int_distribution<> dis(1, 100);
for (int n = 0; n < 10; ++n)
{
    cout << dis(g) << " ";
}
/* 输出
case 1:  67 23 61 3 91 88 81 61 57 60
case 2:  51 1 29 75 81 32  8  8 47 5
cae  3:  92 1 22 24 84 20 72 27 66 39
*/

3.4、用法总结

1、定义种子,可以是随机种子或者固定种子,固定种子方便测试用,但每次产生的随机数都一致。

2、选择随机引擎,把种子值传入当做参数。

3、选择合适分布方式,创建随机分布对象,可以在此时指定需要的随机数的范围。

4、把引擎传入随机数分布模板类对象,输出随机数。

4、问题解决

c++ 提供了一个shuffle函数,相比于random_shuffle,shuffle可以指定随机数引擎,如果指定一个非确定性引擎,则能保证连续生成的两组随机数各不相同,达到设计效果。

template 
void shuffle(_RanIt _First, _RanIt _Last, _Urng&& _Func)

修改后的测试函数:

void test_random()
{
    vector vec;
    vec.resize(100);
    iota(vec.begin(), vec.end(), 1);
    vector vec2(vec);
    
    auto engine = std::default_random_engine(std::random_device()());
    shuffle(vec.begin(), vec.end(), engine);
    shuffle(vec2.begin(), vec2.end(), engine);
     
​
    int cnt = 0;
    cout << "vec:" << endl;
    for (auto v : vec) { 
        cout << v << "  "; 
        if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl;
    }
    cout << endl<< endl;
​
    cnt = 0;
    cout << "vec2:" << endl;
    for (auto v : vec2) {
        cout << v << "  ";
        if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl;
    }
}

上面例子using default_random_engine = mt19937; 其中,mt19937是一个引擎,最大值为0Xffffffff。

using mt19937 = mersenne_twister_engine;

输出结果为:

vec:
85  7  58  8  29  17  60  57  81  71
82  93  4  47  84  40  65  79  37  24
3  14  36  25  32  16  91  48  86  38
63  78  80  28  44  39  34  90  69  13
74  1  77  59  88  41  46  56  33  62
21  18  30  52  89  22  87  27  9  53
70  51  2  72  92  42  26  66  73  97
15  43  31  49  100  68  54  35  12  99
6  67  5  96  94  83  10  45  61  50
23  76  19  98  11  55  75  20  95  64

vec2:
37  51  12  62  99  95  65  1  78  29
80  13  48  72  83  23  25  75  97  68
86  40  24  30  84  4  47  28  76  57
33  38  16  18  69  9  70  31  42  49
52  71  91  96  81  73  34  45  10  26
2  93  89  41  54  64  44  22  36  39
87  43  63  55  3  32  27  19  85  79
35  5  58  11  56  59  21  88  15  100
74  53  8  14  60  92  17  50  7  90
6  20  67  77  98  61  66  82  46  94

你可能感兴趣的:(c++,算法,java)