c++ - 第一个随机数始终相同

Question

我正在尝试编写一个简单的程序。我听说C++中存在比rand()更好的现有函数(生成随机数)。我说的是 #include <random> 中的类(class)。我的程序目标是生成随机数。

这是我的代码:

int randomSpawn()
{    
    unsigned seed = time(NULL);
    std::default_random_engine rng(seed);
    std::uniform_int_distribution<int> d(1, LENGHT);
    
    srand(time(NULL));

    std::cout << d(rng) << std::endl;
    std::cout << rand() % LENGHT << std::endl;

    return rand() % LENGHT;
}

问题在于第一个值始终相同 - 17 。 LENGTH等于 30。

因此，生成随机数的最旧版本正在工作 - 因为它显示随机数，但新版本不起作用，因为它始终显示 17。

我尝试将种子定义移至代码的另一部分，但没有帮助。

Answer 1

您的代码存在几个问题。

1. 您混合了两个标准随机数库，一个旧的随机数库带有 srand和rand新的，带有 std::uniform_int_distribution和std::default_random_engine 。不要使用旧的库。虽然其实现很可能随着时间的推移而得到改进，但自从引入 C 语言以来，计算机科学已经取得了进步。

   所以，这是第一个修复:

#include <random>

int randomSpawn()
{
    const int LENGHT = 30;
    unsigned seed = time(NULL);
    std::default_random_engine rng(seed);
    std::uniform_int_distribution<int> d(1, LENGHT);

    return d(rng);
}

现在是第二个错误:每次调用 randomSpawn 时都会创建并初始化一个新的随机数生成器。这是完全错误的。通常，每个程序(或线程)仅使用一个随机数生成器，如果使用更多，请务必小心不要混合它们。并且您总是将其初始化一次。原因是随机数生成器应该很快，因此它们生成的确定性序列看起来是随机的，但实际上并非如此。这些序列中的数字是如此不相关，以至于大多数用户都可以接受它们只是伪随机的。因此，让我们将生成器移出函数:

#include <iostream>
#include <random>

int randomSpawn(std::default_random_engine & rng)
{
    const int LENGHT = 30;
    std::uniform_int_distribution<int> d(1, LENGHT);
    return d(rng);
}

int main()
{
    unsigned seed = time(NULL);
    std::default_random_engine rng(seed);

    for (int i = 0; i < 10; i++)
       std::cout << randomSpawn(rng) << "\n";
}

唉!这仍然会在序列中产生相同的数字!第一次运行:

19
23
2
8
24
13
17
22
19
28

下次运行:

19
29
11
6
17
12
13
26
25
12

代码似乎可以工作，但第一个“随机”数字在我的机器上始终是 19，在你的机器上始终是 17。实际上，我想重要的不是机器，而是初始化程序，即 time(NULL) ，实际上，在现代 C++ 中，应该拼写为 time(nullptr) 。每次调用此函数时，您都会收到自所谓的纪元以来已经过去的秒数。如果您手动测试程序，此函数会返回巨大的值，这些值之间相差一个小整数，对应于连续程序测试之间的一小部分秒数。

人们使用过time(nullptr)几十年来，他们的程序运行得非常好。所以这段代码并不是错误。错误在于使用随机数生成器而不了解它们的内部构造方式。重要的是default_random_engine是实现定义的。在我的系统中，它解析为 std::minstd_rand0 ，它早在 1969 年就已经开发出来，很可能只是出于兼容性原因才包含在标准 C++ 库中。它属于一类线性同余随机数生成器，它的“随机性”有时是值得怀疑的，这是你自己亲眼所见的。要查看此生成器生成的第一个数字的“非随机”程度，只需运行以下代码:

for (int i = 0; i < 5; i++)
{
     std::default_random_engine de (i + 1'000'000);
     std::cout << de() << "\n";
}

在我的机器上我得到:

1774614471
1774631278
1774648085
1774664892
1774681699

这是彼此非常接近的数字。

所以让我们使用更好的东西:

int randomSpawn(std::mt19937 & rng)
{
    const int LENGHT = 30;
    std::uniform_int_distribution<int> d(1, LENGHT);
    return d(rng);
}

int main()
{
    unsigned seed = time(nullptr);
    std::mt19937 rng(seed);

    for (int i = 0; i < 10; i++)
       std::cout << randomSpawn(rng) << "\n";
}

在这里，我明确使用了随机数生成器(不仅在 C++ 中)的黄金标准:来自 Mersenne Twister 随机数生成器系列的生成器。正如您可以测试的那样，现在对生成器的第一次调用已经生成了一个“随机”数字。

如果您想确保第一个数字是“真正”随机的，您可以“预热”生成器:

    unsigned seed = time(nullptr);
    std::mt19937 rng(seed);
    for (int i = 0; i < 10; i++)  // warm up 10 times to decorelate with seed 
        rng();
    for (int i = 0; i < 10; i++)
       std::cout << randomSpawn(rng) << "\n";

或者，您可以使用不同的种子初始化方法:

    std::random_device rd;
    unsigned seed = rd();   // produces a really "random" number
    std::mt19937 rng(seed);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
       std::cout << randomSpawn(rng) << "\n";