C++中獲取隨機數(shù)的常用方法小結

更新時間：2025年01月15日 08:25:26 作者：夢_魚

這篇文章主要為大家詳細介紹了C++中獲取隨機數(shù)的幾種常用方法,文中的示例代碼講解詳細,具有一定的借鑒價值,感興趣的小伙伴可以了解下

1.C++中獲取隨機數(shù)的幾種方法

隨機數(shù)基本概念

隨機數(shù)：在一定范圍內[a, z]，每個數(shù)出現(xiàn)的概率相等并且無法預測下一個數(shù)的數(shù)值序列。

偽隨機數(shù)生成器(PRNG)

原理：由一個狀態(tài)寄存器和一個更新函數(shù)組成，初始狀態(tài)由種子決定，更新狀態(tài)會根據(jù)當前狀態(tài)生成下一個狀態(tài)，并輸出一個偽隨機數(shù)
種子：偽隨機數(shù)生成器的初始值，決定了隨機數(shù)開始時的狀態(tài)，由于隨機數(shù)基于算法與隨機數(shù)生成器初始時的狀態(tài)產(chǎn)生隨機序列，因此相同的種子產(chǎn)生完全相同的隨機序列

2. C++中獲取隨機數(shù)

2.1 基本流程

設置隨機數(shù)種子

獲取隨機數(shù)(整數(shù)、浮點數(shù))

2.2 隨機數(shù)種子來源

time() 函數(shù)

獲取當前時間戳，在多線程場景下，由于time函數(shù)的精度有限，可能產(chǎn)生相同的種子，生成相似的隨機序列

std::random_device

是一個非確定性的隨機數(shù)源，從操作系統(tǒng)或硬件設備重獲取真正的隨機信息

2.3獲取隨機數(shù)

C cstdlib庫中rand函數(shù)

#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <iostream>

int main() {
    // 設置隨機數(shù)種子
    std::srand(time(nullptr));
    std::cout << "RAND_MAX" << RAND_MAX << std::endl;
    for (int i=0; i<10;++i) {
        // 獲取隨機數(shù)
        std::cout << "random value: " <<  rand() <<  std::endl;
        // 通過 % 取余獲取指定范圍的隨機數(shù)
        std::cout << "random range 1 100: " << rand() % 100 << std::endl;
    }
};

C++ random庫 (c++11)

#include <random>
#include <iostream>

int main() {
    // 指定種子
    std::default_random_engine engine(std::random_device{}());
    int count = 10;
    // 指定范圍：整數(shù)
    std::uniform_int_distribution<int> rand_int_generator(0, 100);
    for (int i=0; i<10; ++i) {
        std::cout << "int random value:" <<  rand_int_generator(engine) << std::endl;
    }
    
    // 指定范圍：浮點數(shù)
    std::uniform_real_distribution<double> rand_double_generator(0, 1);
    for (int i=0; i<10; ++i) {
        std::cout << "double random value:" <<  rand_double_generator(engine) << std::endl;
    }
};

隨機性要求較高使用 std::mt19937作為引擎

#include <random>
#include <iostream>

int main() {
    // 指定種子
    std::mt19937 engine(std::random_device{}());
    int count = 10;
    // 指定范圍：整數(shù)
    std::uniform_int_distribution<int> rand_int_generator(0, 100);
    for (int i=0; i<10; ++i) {
        std::cout << "int random value:" <<  rand_int_generator(engine) << std::endl;
    }

    // 指定范圍：浮點數(shù)
    std::uniform_real_distribution<double> rand_double_generator(0, 1);
    for (int i=0; i<10; ++i) {
        std::cout << "double random value:" <<  rand_double_generator(engine) << std::endl;
    }
};

3. Mersenne Twister (馬特賽特旋轉算法)

3.1工作原理

Mersenne Twister 算法維護一個內部狀態(tài)向量，這個向量的長度通常為 n個w -bit 的字。對于最常見的 MT19937 版本，n=624且w=32

初始化

首先使用一個種子（可以是任意整數(shù)）初始化內部狀態(tài)向量。通常會對種子進行一些處理，將其擴展到內部狀態(tài)向量的長度

狀態(tài)更新

通過一個復雜的位操作函數(shù)對狀態(tài)向量進行更新，這個函數(shù)被稱為 “twist” 操作。在 MT19937 中，它使用了一系列的移位、異或和與操作，將狀態(tài)向量中的元素進行混合和更新
經(jīng)過多次 “twist” 操作，狀態(tài)向量中的元素會以一種復雜的方式發(fā)生變化，保證了下一個隨機數(shù)的不可預測性

隨機數(shù)提取

從更新后的狀態(tài)向量中提取隨機數(shù)。通常使用一個函數(shù)將狀態(tài)向量中的元素映射到所需的輸出范圍。例如，對于生成 32 位的隨機數(shù)，直接使用狀態(tài)向量中的元素，而對于生成小于 32 位的隨機數(shù)，則會對狀態(tài)向量中的元素進行適當?shù)慕財嗷蛭徊僮鱽砩伤璧碾S機數(shù)