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[C++知识库]C++随机数 std::random_device

C中使用 rand() 函数生成 伪·随机数,原理是利用初等数论中的同余定理来实现的. 产生整数rand的原理是: y=ax+b(mod n)其中,n一般是一个很大的素数,几万. a也是大素数.而且a,b,n都是常数。

具体步骤为:参考自https://www.cxyzjd.com/article/w_y_x_y/80199694
①在rand函数的内部,是通过一个公式计算出一个值作为随机值,下次再调用rand的时候,再把这个随机值作为参数传给这个公式计算出一个新的随机值,周而复始。
②在C库中,是通过一个静态全局变量来作为“种子”,而这个“种子”的值是通过srand函数改变的,如果不写srand函数,这个“种子”值默认赋值为1。这就解释了“为何不写srand函数,rand函数就会生成伪随机数”,因为程序只要重新开始运行,“种子”值就会被默认赋值为1,那么通过公式算出来的序列肯定就一直相同了。

示例:通常我们使用时间作为随机数种子。

#include <iostream>
#include <cmath>
void fun()
{
    srand((unsigned int)time(nullptr)); // 使用秒作为随机种子
    std::cout << "time:" << (unsigned int)time(nullptr) << endl;
    std::cout << "random:" << rand() << endl;
}

int main()
{
    
    int i = 10;
    while (i--)
    {
        fun();
    }
    /* 输出
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
        time:1630296077
        random:11308
    */

    return 0;
}

可以看到,使用时间::秒作为随机种子,那么在一秒钟之内获取的随机种子相同,则获取的随机数相同。

为了解决一秒内获取的随机数相同的问题,我们可以使用精度更高的时间,毫秒或微秒作为种子。但这样依然会存在上述问题。究其原因该函数只能生成伪·随机数。

在C11中 std::random_device 可用于生成随机数。

定义在 <random> 头文件中。

示例:

#include <iostream>
#include <random>

void fun()
{
    std::random_device rd;
    std::cout << "random:" << rd() << endl;
}

int main()
{
    
    int i = 10;
    while (i--)
    {
        fun();
    }
    /* 输出
        random:2848171590
        random:2149412796
        random:1399167999
        random:447251527
        random:3148048510
        random:1413765525
        random:1709601834
        random:3324289168
        random:3911469733
        random:2827637096
    */

    return 0;
}

除此之外,标准库头文件 <random> 还提供了诸如正态分布、泊松分布等方式产生随机数。
具体参考:https://www.apiref.com/cpp-zh/cpp/header/random.html

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