【c++】rand()随机函数的应用(一)——rand()函数详解和实例

2023-11-18

c++语言中可以用rand()函数生成随机数，今天来探讨一下rand()函数的基本用法和实际应用。

本系列文章共分两讲，今天主要介绍一下伪随机数生成的原理，以及在伪随机数生成的基础上，生成随机数的技巧，下一讲主要介绍无重复随机数生成的方法和舒尔特方格数字生成的实例。本文采用循序渐进的方式逐步介绍，并且贴上了实际测试的代码和结果。有不详和不实之处，请各位大神批评指正。

3、配合time()或getpid()使用

2、生成n~m(n1)范围内的随机整数,m-n>

一、rand()函数的几个要点

1、rand()函数所在库

rand()函数原型：int rand(void);

所在的库为cstdlib，所以使用时需要引入cstdlib头文件。

2、rand()函数的范围

当为int型时，随机数的范围为0~32767。

3、rand()函数为伪随机数

rand()的内部实现是用线性同余法做的，它不是真的随机数，因其周期特别长，故在一定的范围里可看成是随机的。

4、线性同余算法简介

线性同余算法是一种迭代算法，每次迭代计算出的结果就是伪随机数，其迭代公式为：

$x_{n+1}=(a*x_{n}+c) mod(m)$ (1)

式中：

$x_{n+1}$ 为第 $n+1$ 次迭代值；

$x_{n}$ 为第 $n$ 次迭代值；

$a$ 、 $c$ 为常数；

$m$ 为随机数范围(由rand()数据类型确定，如果为int，则为32768)；

公式第一次迭代

$x_{1}=(a*x_{0}+c) mod(m)$

所用的 $x_{0}$ 为初始值，也称为种子(seed)，也就是当 $a$ 、 $c$ 、 $m$ 都确定后，随机数的序列是由 $x_{0}$ 值决定的，而系统默认其值为1。

二、rand()函数的基本使用技巧

1、单独使用

单独使用rand()函数示例代码如下：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>
using namespace std;

int main()
{
	while(1)
	{
		cout<<rand()<<endl;
		Sleep(1000);	
	}	
}

经过多次测试，发现这样一个规律，每次运行程序时，产生的随机数序列都是一样的，都固定不变为[41,18467,6334,26500,...]，如下图所示。因为我们在程序中没有设定 $x_{0}$ ，而系统默认值为1，所以根据(1)式算出来的为随机数序列值都是一样的。

2、配合srand()函数使用

(1)srand()函数原型

void srand (usigned int seed)

(2)所在库也是cstdlib

(3)srand()的作用

用来设置rand()产生随机数时的随机数种子。参数seed是整数，当改变seed值时，产生的伪随机数序列就会发生改变。在程序中设定seed=0，如下所示。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>
using namespace std;

int main()
{
	while(1)
	{
		srand(0);
        cout<<rand()<<endl;
		Sleep(1000);	
	}	
}

运行程序后，发现伪随机数序列发生变化了，如下图所示。

3、配合time()或getpid()使用

使用srand()函数，改变seed数值，可以改变伪随机数的序列。每次要想生成不同的伪随机数序列，就要手动改变seed值，也不是很方便。所以，最好的办法是每次运行程序，seed值都可以自动改变。通常可以利用time(NULL)或getpid()的返回值作为seed。

(1)time(NULL)函数

time(NULL)的返回值为当前时间的时间戳(以秒为单位)，比如2023-8-2 17:19:04对应的时间戳数值为1690967944。所以每次运行时间不一样，通过srand()函数给rand()函数设定的seed的值 $x_{0}$ 也不一样，因此产生的随机数序列也就不一样了。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <windows.h>

using namespace std;

int main()
{
	srand(time(NULL));
	while(1)
	{
		cout<<rand()<<endl;
		Sleep(1000);
	}
	
}

下边是两次运行的结果，可见产生的随机序列不一样了。

(2)getpid()函数

getpid是一种函数，功能是取得进程识别码，许多程序利用取到的此值来建立临时文件，以避免临时文件相同带来的问题。

getpid()函数需要引入的头文件有stdio.h、unistd.h和sys/types.h。

调试程序代码如下：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;

int main()
{
	srand(getpid())；
    while(1)
	{
		cout<<rand()<<endl；
		Sleep(1000);	
	}	
}

分别执行两次程序生成的伪代码随机数序列也不相同，结果如下：

getpid函数与time(NULL)函数不同之处是：

第一、time(NULL)获取的是时间戳值，所以与程序的进程无关，无论进程相同还是不同，只要调取函数的时间不一样，那么生成的seed值就不一样。

第二、getpid函数是程序的进程识别码，所以在同一个程序的进程内多次调用函数，生成的seed值是一样的。只有在不同的进程内调用，seed值才会改变。

三、rand()函数的扩展功能

1、生成0~n(n>1)随机整数

rand()函数生成的随机数范围为0~32767，那么要想让范围变为0~m(m<32767)，只需要用rand()对m+1求余即可。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;

int main()
{
	int m;
	cin>>m; 
//	srand(getpid());
	srand(time(NULL));
	while(1)
	{
		cout<<rand()%(m+1)<<endl;
		Sleep(1000);
	}
	
}

2、生成n~m(n<m,m-n>1)范围内的随机整数

要想让rand()函数生成的随机数范围为n~m(n<m,m-n>1)，只需要用rand()对(m-n+1)求余，再加n即可。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;

int main()
{
	int m,n;
	cin>>n>>m; 
//	srand(getpid());
	srand(time(NULL));
	while(1)
	{
		cout<<rand()%(m-n+1)+n<<endl;
		Sleep(1000);
	}
	
}

（未完待续）

本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)