某项目中有个复杂的排序,先是各种规则依次排序,最后如果依然并列的话,那就随机位置,名次并列。测试中发现一个诡异现象,并列时随机排序但随机后2个case打印的顺序每次都一样,随机数没有起到任何作用。经过分析发现,随机数种子srand(clock()),本意是希望连续调用这个函数,给多个随机数设置种子,实际上设置的种子相同,最后产生的随机数是伪随机数。那么有没有一种随机数方法可以在较快的循环中,保证随机性呢?
原问题较复杂,给个类似的例子说明具体场景:
void test_random() { vectorvec; vec.resize(100); iota(vec.begin(), vec.end(), 1); vector vec2(vec); srand(clock()); random_shuffle(vec.begin(), vec.end()); srand(clock()); random_shuffle(vec2.begin(), vec2.end()); int cnt = 0; cout << "vec:" << endl; for (auto v : vec) { cout << v << " "; if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl; } cout << endl<< endl; cnt = 0; cout << "vec2:" << endl; for (auto v : vec2) { cout << v << " "; if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl; } }
输出结果为:
rand()和srand()是c函数,在stdlib.h中定义,rand()能产生0--32767范围的随机数。
如果只使用rand,则每次输出的随机数都是一样的,相当于使用srand(1)作为默认种了。如果给定种了,则能产生不同的随机数,所以time或clock函数就是一个好种子,获取计算机的时间,用秒或毫秒来做随机数种子以产生不同的随机数。但是在某些场景下,会引发下列问题:
问题1:在程序运行较慢或不需要连续产生随机数时,用时钟当做种子没有问题,但要快速产生不同的组数的随机数时,就会出现前面出现的现象,较大概率出现相同的随机数。
问题2:如果希望生成某个范围的随机数,则不好控制,通常会采用取模的方式,而这种方式会破坏随机数的分布概率。
// 0--10 的随机数 srand((unsigned int)time(NULL)); int r = rand() % 10 // 100--200的随机数 int min = 100; int max = 200; srand((unsigned int)time(NULL)); int r = rand() % (max - min) + min // [0--1.0] 浮点数 srand((unsigned int)time(NULL)); float r = rand() % RAND_MAX
c++11引入了random头文件,可以更加精确的产生随机数,并且提供了完善的操作接口。C++标准规定了随机数设施,包括均匀随机位生成器(Uniform random bit generators,URBG)和随机数分布等,定义在
参考文档:http://www.cplusplus.com/reference/random/?kw=random
This library allows to produce random numbers using combinations of generators and distributions:
random标准款主要包括:
生成器:生成均匀分布伪随机数的对象
分布:将生成器生成的数序列转换为某种特定数学概率分布的序列,如均匀分布、正态分布、泊松分布等。
3.1、生成器
1)random_device生成器
C++11提供了一个random_device随机数类,英文叫“Non-deterministic random number generator”,这是一个非确定性随机数生成器,它并不是由某一个数学算法得到的随机序列,而是通过读取文件,读什么文件看具体的实现(Linux可以通过读取/dev/random文件来获取)。文件的内容是随机的,简单理解即这个类依靠系统的噪声产生随机数。
2)伪随机数引擎
伪随机数引擎,实现方式属于模板类,是使用算法根据初始种子生成伪随机数的生成器。
linear_congruential_engine:线性同余生成引擎,是最常用也是速度最快的,但随机效果一般 mersenne_twister_engine:梅森旋转算法,随机效果最好。 subtract_with_carry_engine:滞后Fibonacci算法。
随机数引擎需要一个 整型参数作为种子,对于给定的单个或多个种子,随机数生成器总会生成相同的序列,这在测试时非常有用。当测试完成,则需要随机的种子以产出不同的随机数,推荐使用random_device作为随机数种子。
3.2、适配器
除了生成器模板库外,c++11还设计了几种适配器。
discard_block_engine: Discard-block random number engine adaptor (class template ) independent_bits_engine: Independent-bits random number engine adaptor (class template ) shuffle_order_engine :Shuffle-order random number engine adaptor (class template )
3.3、随机分布模板类
随机数引擎产生的随机数值都比较大,使用时经常需要限定到一个范围内,c++11提供了符合各种概率分布的随机数生成模板类,比如:均匀分布,正态分布,泊松分布等。
以均匀分布为例:
template< class IntType = int > class uniform_int_distribution; template< class RealType = double > class uniform_real_distribution;
测试1:直接使用引擎产生随机数,范围很大。
random_device rd; mt19937 g(rd()); for (int n = 0; n < 10; ++n) { cout << g() << " "; } /* 输出 case 1: 649838310 2697128147 116396177 1728659882 2608399735 1196122003 1824385544 3670102805 2610106284 1577110367 case 2: 2220490604 2877041131 4118289859 1423499548 3901014967 230558428 3106974485 2887363336 1389836600 4020707730 */
测试2:使用均匀分布类模板产生随机数,可以限定生成的随机数的范围。
random_device rd; mt19937 g(rd()); uniform_int_distribution<> dis(1, 100); for (int n = 0; n < 10; ++n) { cout << dis(g) << " "; } /* 输出 case 1: 67 23 61 3 91 88 81 61 57 60 case 2: 51 1 29 75 81 32 8 8 47 5 cae 3: 92 1 22 24 84 20 72 27 66 39 */
3.4、用法总结
1、定义种子,可以是随机种子或者固定种子,固定种子方便测试用,但每次产生的随机数都一致。
2、选择随机引擎,把种子值传入当做参数。
3、选择合适分布方式,创建随机分布对象,可以在此时指定需要的随机数的范围。
4、把引擎传入随机数分布模板类对象,输出随机数。
c++ 提供了一个shuffle函数,相比于random_shuffle,shuffle可以指定随机数引擎,如果指定一个非确定性引擎,则能保证连续生成的两组随机数各不相同,达到设计效果。
templatevoid shuffle(_RanIt _First, _RanIt _Last, _Urng&& _Func)
修改后的测试函数:
void test_random() { vectorvec; vec.resize(100); iota(vec.begin(), vec.end(), 1); vector vec2(vec); auto engine = std::default_random_engine(std::random_device()()); shuffle(vec.begin(), vec.end(), engine); shuffle(vec2.begin(), vec2.end(), engine); int cnt = 0; cout << "vec:" << endl; for (auto v : vec) { cout << v << " "; if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl; } cout << endl<< endl; cnt = 0; cout << "vec2:" << endl; for (auto v : vec2) { cout << v << " "; if ((++cnt % 10) == 0) cout << endl; } }
上面例子using default_random_engine = mt19937; 其中,mt19937是一个引擎,最大值为0Xffffffff。
using mt19937 = mersenne_twister_engine;
输出结果为:
vec: 85 7 58 8 29 17 60 57 81 71 82 93 4 47 84 40 65 79 37 24 3 14 36 25 32 16 91 48 86 38 63 78 80 28 44 39 34 90 69 13 74 1 77 59 88 41 46 56 33 62 21 18 30 52 89 22 87 27 9 53 70 51 2 72 92 42 26 66 73 97 15 43 31 49 100 68 54 35 12 99 6 67 5 96 94 83 10 45 61 50 23 76 19 98 11 55 75 20 95 64 vec2: 37 51 12 62 99 95 65 1 78 29 80 13 48 72 83 23 25 75 97 68 86 40 24 30 84 4 47 28 76 57 33 38 16 18 69 9 70 31 42 49 52 71 91 96 81 73 34 45 10 26 2 93 89 41 54 64 44 22 36 39 87 43 63 55 3 32 27 19 85 79 35 5 58 11 56 59 21 88 15 100 74 53 8 14 60 92 17 50 7 90 6 20 67 77 98 61 66 82 46 94