【C/C++】随机函数rand()和初始化随机函数srand()

Junkman丶
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随机函数 rand()

首先明确计算机中没有真正的随机函数，而这些所谓的随机函数都是伪随机。

伪随机： 如果我们不改变随机函数的种子（这里的种子可以理解为随机函数的初始值），那么随机数的数序也不会改变，使用相同的随机函数种子每次我们都将得到同一组数序的随机数，这就是伪随机。（皇室战争手游中宝箱的获取就是伪随机）

rand() 函数定义

  • 头文件：在C中为 #include<stdlib.h> ；C++中为 #include<cstdlib>，包含在 #include<iostream>中
  • 函数方法：int rand(void);
  • 功能：无需函数参数，返回随机数范围 [0, RAND_MAX) 左闭右开区间，RAND_MAX 根据不同系统值不同。RAND_MAX 最小值为3276732767（0x7fff），最大值为21474836472147483647 （INT_MAX）
  • 若未调用初始化随机函数 srand() ，系统会自动调用一次初始化随机函数 srand(1) 。

rand() 常用操作

  • rand() % x ： 得到 [0,x)[0,x) 左闭右开区间内的一个随机数
  • (rand() % 10) / (double)9 ： 得到 [0,1][0,1] 区间内的一个随机小数（概率0%-100%）
  • a + rand() % b ：得到 [a,a+b)[a,a+b) 左闭右开区间内的一个随机数

初始化随机函数 srand()

想要得到更进一步的随机数，就需要用到初始化随机函数 srand()。

srand() 函数定义

  • 头文件与 rand() 一致：在C中为 #include<stdlib.h> ；C++中为 #include<cstdlib> 包含在 #include<iostream>中
  • 函数方法：void srand(unsigned int seed);
  • 功能：初始化 rand() 函数的随机种子

如果每次使用相同数值的种子进行初始化，rand() 函数也将会产生同一组随机数值。例如我们每次都不调用 srand() 函数，那么系统每次都会自动调用一次初始化随机函数 srand(1)，也就是每次的初始化随机函数种子为 1 ，那么我们每次使用的随机数值都是同一组。

srand() 常用的初始化随机函数操作

  • 使用当前系统时间作为种子进行随机数发生器的初始化：因为每次调用 srand() 函数的时间通常是不同的（运行时间需要间隔超过 1 秒），这样就可以保证每次的 rand() 函数产生的随机数值具有随机性了。
srand((unsigned)time(NULL));//time(NULL)也可以写成time(0)

调用 time(NULL) 的返回值（类型为 time_t ）显式强转型成 unsigned int ，再传递给 srand() 函数（接收一个 unsigned int 参数）作为种子进行初始化随机函数。

关于 time() 函数

time() 函数是C标准库函数。

  • 头文件：在C中需要添加头文件 #include<time.h> ，C++中需要添加头文件 #include<ctime>
  • 函数方法原形：time_t time(time_t *t) （其中 time_t 就是 long int）
  • 函数功能：这里的 time() 函数如果传入的参数为 NULL 或者 0 ，返回的是从 00:00:00 GMT, January 1, 1970 到现在所持续的秒数。
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main(){
	time_t t;
	t = time(0);//同time(NULL)
	printf("秒数为：%ld\n",t);
	printf("当前时间：%s", ctime(&t));
	return 0;
}
/*
运行结果：
秒数为：1649932240
当前时间：Thu Apr 14 18:30:40 2022
*/

time(0) 和 time(NULL) 函数可以获取当前的系统时间（但是获取的这个时间是从1970年1月1日0时0分0秒到目前为止所经过的秒数），ctime() 函数可以将 time_t* 类型转化为常规的时间格式，并且以字符数组类型作为返回值。char* ctime (const time_t *time)，ctime 返回的是字符数组（字符串）类型。

随机函数的使用

蓄水池抽样算法

从前往后处理每个样本，每个样本成为答案的概率为 1/i，这样就能使得每个样本抽到的概率相同为 1/n 使得每个概率为 1/i 的做法：rand() % i == 0

代码部分

srand((unsigned)time(NULL));
int idx = 0;//开始只有一个，初始化idx为第一个下标
//随机抽取下标，范围在[0, n)，左闭右开区间，%的数代表前面的个数
for(int i = 1; i < n; i++){
    if(rand() % (i + 1) == 0) idx = i;
}

总结

计算机中没有真正的随机函数，也不能真正的产生随机数，但计算机中存在伪随机数序，我们利用伪随机数序和当前系统时间相结合，使用系统当前时间（时间是不断改变的）作为伪随机数序的随机种子，使得我们得到的数序能够更具有随机性。所以我们在使用 rand() 函数前通常都会先初始化随机函数，为了使得随机函数得到的数序不是同一段数序，初始化随机函数的种子也要更具有随机性，所以我们采用系统当前的时间作为初始化随机函数的种子。这就是我们常用的操作手法：srand((unsigned)time(NULL));

结束语

生活是一场充满未知的旅途。不要因为眼前的困境，就丧失对未来的期盼。以积极的心态，活出最佳状态，便是交给生活最好的答卷。心中有光，有所热爱。请相信，那些不期而遇的幸运，正在朝你奔来。

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