C++随机数用法大全

2018-02-05 10:38:54来源:https://www.jianshu.com/p/cc6e48b2d670作者:Cloudox_人点击

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程序中经常会需要用到随机数,所谓随机数,就是随机生成一个数字供程序使用。大部分语言都有随机数生成器的函数,比如C/C++就有个最简单随机函数:rand,它可以生成一个“伪随机”的均匀分布的整数,范围在0到系统相关的一个最大值之间。


这里的均匀是指随机数的分布是均匀的,后文会讲如何生成非均匀分布的随机数,比如正态分布的。


rand函数只能生成均匀分布的整数,但程序有时候需要浮点数、非均匀分布、其他范围的分布等等,这就需要开发者去进行转换,而这会导入非随机因素,且不方便,因此C++在头文件“random”的随机数库中提供了新的工具。


随机数引擎

C++提供了一个随机数引擎,这是一个类,可以生成一个随机的unsigned整数:


#include <random>
default_random_engine e;// 定义一个随机数引擎
cout << e() << endl;// 输出随机数

该随机数引擎可以生成一个随机数。


其生成的随机数范围是由系统定义的,可以由 e.min() 和 e.max() 函数来查看。因此,和rand函数一样,我们依然不能只使用该引擎来生成随机数,毕竟和我们的要求可能会有出入。所以我们还需要随机数分布类。


随机数分布类型

为了得到一个指定范围的随机数,我们可以使用分布类型的对象:


#include <random>
uniform_int_distribution<unsigned> u(0, 9);// 定义一个范围为0~9的无符号整型分布类型
default_random_engine e;// 定义一个随机数引擎
cout << u(e) << endl;// 输出随机数

这里我们会得到0~9之间(包含)的随机数。


注意,是用引擎对象e本身作为参数传递给分布对象u,如果写成了 u(e()),那么实际上是将 e() 生成的一个随机数作为值传递给u了。


C++的这一套随机数生成器有一个特性很容易忽略,需要注意:虽然我们是在生成随机数,但是一段相同的程序产生的随机数,在每次运行程序时,其实生成的一系列随机数都是一样的,这一看起来很不随机的特性,其实在调试程序的时候非常有用,但如果忘记了,也容易产生问题。


比如在A处调用100次,生成1/2/3/6/3/1....,在B处重新调用同样的函数,还是会生成这个随机数序列。


如果要避免这个问题,可以将引擎对象和分布对象都定义为static的:


#include <random>
static uniform_int_distribution<unsigned> u(0, 9);// 定义一个范围为0~9的无符号整型分布类型
static default_random_engine e;// 定义一个随机数引擎
cout << u(e) << endl;// 输出随机数

由于是static的,在函数调用之间会保持状态,也就不是每次都从头开始生成随机数序列,就能产生不一样的随机数序列了。


设置随机数生成器种子

如果希望每次运行程序都产生新的不同的随机数序列,可以给引擎加入“种子”,可以把种子理解为一种七点,给的种子不同,随机数引擎的起点也就不同,因此自然就会产生出不同的随机数序列,在Minecraft中生成随机地图时也可以输入种子,就是这个道理。


设置种子有两种方式,一种是创建随机数引擎时提供种子(不提供则使用默认种子,所以不提供的话,每次开始的种子都是一样的,自然序列也就一样了);另一种是调用引擎的时候提供种子。


#include <random>
default_random_engine e1;// 使用默认种子
default_random_engine e2(123123);// 创建引擎时给种子
default_random_engine e3;// 使用默认种子
e3.seed(321);// 调用引擎时给种子
cout << e1() << endl;// 输出随机数
cout << e2() << endl;// 输出随机数
cout << e3() << endl;// 输出随机数

常用的种子,是调用系统函数time(定义在头文件ctime中),它返回从一个特定时间到现在经过了多少秒:


#include <random>
#include <ctime>
default_random_engine e2(time(0));// 创建引擎时给种子

随机浮点数

使用rand生成随机浮点数不太方便,有一些数永远不会得到,而random库要生成则很方便。我们只需要使用另一种类型的分布对象即可:


#include <random>
uniform_real_distribution<double> u(0, 1);// 定义一个范围为0~1的浮点数分布类型
default_random_engine e;// 定义一个随机数引擎
cout << u(e) << endl;// 输出随机数

分布类型都是模板,所以后跟尖括号的具体类型参数,如果要使用默认类型,则不提供参数,但还是必须要有尖括号。


非均匀分布的随机数

实际上除了常规的均匀分布随机数,C++的random库还提供了20种分布类型,比如正态分布。


#include <random>
normal_distribution<> u(4, 1.5);// 定义一个正态分布,均值为4,标准差为1.5
default_random_engine e;// 定义一个随机数引擎
cout << u(e) << endl;// 输出随机数

这样输出的随机数会是正太分布的,集中在4附近正负1.5的范围的随机数较多,更远范围的随机数较少。


还有一个随机给出布尔值的分布类型,该分布随机返回true或false,默认几率是50%,当然也可以设置其他的几率:


#include <random>
bernoulli_distribution b1;// 默认是一半一般的几率
bernoulli_distribution b2<.55>;// 返回true的几率设为55%
default_random_engine e;// 定义一个随机数引擎
cout << b1(e) << endl;// 输出随机数


更多的分布类型大家可以自行了解,总之确实非常实用方便,比用rand自己去做除法等等要随机得更正,也更灵活。


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