C语言中用于产生随机数的函数使用方法总结


在UNIX操作系统和window的操作系统上,我们知道有一个函数rand,它就是用来产生随机数的函数API接口,那么它的原理如何实现?
如果约定a1=f(seed),an+1=f(an),那么可以得到一个序列a1,a2,a3..an,那么要制作一个伪随机函数rand,只需要让它每调用一次就返回序列的下一个元素就行。其实就是相当于第1次调用rand返回a1,第2次返回a2,…,第n次返回an,这样每次返回的数值都不一样,也就是相当于随机数了。但是其实不是真正的随机数,真正的随机数是使用物理现象产生的:比如掷钱币、骰子、转轮、使用电子元件的噪音、核裂变等等。这样的随机数发生器叫做物理性随机数发生器,它们的缺点是技术要求比较高。那到底什么是随机数呢?

随机数:随机数就是每次运行代码的时候随机产生的数,每次产生的数的值是无法确定的,返回 0 到 RANDMAX 之间的随机整数值,不包含 RANDMAX 的值,RANDMAX 的范围最少是在32767之间(int),即双字节(16位数)。若用 unsigned int 双字节是65535,四字节是4294967295的整数范围。而且 0 到 RANDMAX 每个数字被选中的概率是相同的。

原理:产生随机数的原理是根据一个值,一般称为随机种子,然后把这个种子作为参数,经过一系列的公式运算产生出一个值,这个值就是随机数。

在 C 语言当中使用随机数要用到 rand 函数和 srand 函数,

int rand():返回值为随机值,参数为空,通过 rand 函数就会产生一个随机数。

void srand(unsigned int seed):返回值为空, 就是设置随机种子的,当我们不设置随机种子的时候,默认设置的种子为 1,也就是srand(1)。

使用:

#include<stdlib.h>//得引入 stdlib.h 这个头文件
int main()
{
 int rand_num = rand();
 printf("rand_num = %d\n", rand_num);
 return 0;
}

每次运行的结果都一样,这是为什么呢?上面已经说了,随机数产生的是有一个随机种子作为参数,然后返回一个值,而且默认的随机种子为1,所以每次产生的随机数都一样。

如果我们修改一下随机种子,会发现随机数和原来的不一样了,但是每次运行的结果还是一样:

#include<stdlib.h>//得引入 stdlib.h 这个头文件
int main()
{
 srand(3);
 int rand_num = rand();
 printf("rand_num = %d\n", rand_num);
 srand(5);
 rand_num = rand();
 printf("rand_num = %d\n", rand_num);
 return 0;
}

两次的输出结果不一样,我的输出结果如下:

rand_num = 50421

rand_num = 847425747

但是我们程序肯定是写好之后,不改动随机种子,然后每次产生不同的值才对啊,那我们来如何做呢?既然产生的随机值与种子有关,只要每次的随机种子不一样,那么产生的随机值也不一样,我们就可以把时间作为随机种子,因为每次运行时,时间都不一样,因此产生的随机值也不一样,因此我们可以这样:

#include<time.h> //使用 time 函数必须引入 time.h 头文件
#include<stdlib.h>
int main()
{
 srand((int)time(0));
 int rand_num = rand();
 printf("rand_num = %d\n", rand_num);
 return 0;
}

这样的话,每次输出结果都不一样了。

通过上面的方法,我们可以获取不同的随机值了,但是我们一般会获取一定范围内的随机值,比如返回 0~100 之间的返回值,比如模拟骰子,随机返回 1~6 的值。那么我们该如何做呢?

我们要返回 0~6 的随机值,只需在上面返回随机值的地方对 7 取余即可:

int rand_num = rand() % 7;
printf("rand_num = %d\n", rand_num);

所以我们如果要返回 0~a 的随机值,只要对 a + 1 取余即可,所以有下面的公式:

int rand_num = rand() % (a + 1);//返回 0 ~ a 的随机值

如果我们要返回 a ~ b 的随机值,公式是什么呢?因为随机数取余法只能返回 0 到某个数的随机值,所以 a ~ b 的随机值,我们可以先返回 0 ~ (b – a)的随机值,然后再加上 a 即可:

int rand_num = rand() % (b - a + 1);//1、返回 0 ~ (b - a)的随机值
rand_num = rand_num + a; //2、返回 a ~ b 的随机值

因此上面的 1 和 2 合并之后的公式为:

int rand_num = rand() % (b - a + 1) + a;//返回 a ~ b 的随机值

大家现在做这样的操作:

#include<stdlib.h>
int main()
{
 srand(2);//随机种子固定为2
 for(int i = 0; i < 5; i++)
 {
 int rand_num = rand();
 printf("rand_num = %d\n", rand_num);//注意输出结果  
 }
 return 0;
}

既然随机种子一样,为什么输出结果不一样呢?这里得注意一下,如果程序没有结束,而且也没有重新设置过随机种子,那么系统会把上次的随机值作为下次随机函数的随机种子,因此在上面的 for 循环当中,其实每次的循环种子都不一样,怎么验证呢?先看我这里的输出结果为:

rand_num = 33614

rand_num = 564950498

rand_num = 1097816499

rand_num = 1969887316

rand_num = 140734213

我们可以把随机种子设置成其中的一个 rand_num 值,比如 33614,那么输出结果如果为 564950498 的话,那么说明在 for 循环中每次都把随机值作为下次的随机函数的随机种子了。

srand(33614);
int rand_num = rand();
printf("rand_num = %d\n", rand_num);

结果:

rand_num = 564950498;

验证完毕。

arc4random() 函数:

这个函数是 C 语言封装的一个比较智能的随机函数,我们只要调用这个函数,就会产生随机数,不用设置随机种子,而且用法很简单:

int arc_rand = arc4random();
printf("arc_rand = %d\n", arc_rand);

每次的运行结果都不一样。如果要产生 a ~ b 的随机值,公式也是:

arc4random() % (b - a + 1) + a;



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