C++中的随机数生成

1. 简介

对于许多程序开发人员而言，生成随机数是一项重要的任务。而在C++语言中，生成随机数的方法有很多种。本文将讨论在C++中生成随机数的不同方法，包括使用rand()函数、引入第三方库如Boost和C++11中的random库。

2. 使用rand()函数生成随机数

2.1 rand()函数的介绍

在C++中，rand()函数是用于生成伪随机数的标准函数。 在每次调用该函数时，它都会返回一个介于0和RAND_MAX（通常为32767）之间的伪随机整数。

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    // 产生随机种子，调用一次即可
    srand((unsigned int)time(nullptr));
    
    // 生成10个随机整数
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
        std::cout << rand() << std::endl;
    
    return 0;
}

下面是上面代码的输出，由于是随机生成，因此每次输出结果都不同。

输出结果：

1804289383

846930886
1681692777
1714636915
1957747793
424238335
719885386
1649760492
596516649
1189641421

2.2 rand()函数的问题

虽然rand()函数是C++语言生成伪随机数的标准函数，但它的随机性和分布性都有问题。以下是rand()函数的一些问题：

rand()函数的内部机制很简单，导致生成的随机数很大程度上依赖于种子值。

rand()函数生成的是均匀分布的随机数，如果需要使用其他类型的分布，必须使用其他方法来生成更多样的分布。

在多个操作系统中，rand()函数使用的算法不同，因此生成的随机数序列是不可移植的。

3. 使用Boost库生成随机数

3.1 Boost库的介绍

Boost是一个流行的、高质量的C++库集合，它提供了许多现代化而又通用的工具和算法，包括随机数生成。

在使用Boost库之前，需要从其官网上下载并安装Boost库。

3.2 使用uniform_int_distribution生成整数随机数

使用Boost库生成整数随机数相对于使用rand()函数来说更为简单。这是因为Boost library提供了很多种生成随机数的方法，其中最流行的是使用uniform_int_distribution。

#include 
#include 
#include 
#include 
// 将产生的随机数范围控制在0~99之间
int main()
{
    // 产生随机种子，调用一次即可
    srand((unsigned int)time(nullptr));
    
    // 定义随机数生成器
    boost::random::mt19937 rng(std::time(nullptr));
    
    // 定义随机数分布和参数
    boost::random::uniform_int_distribution<> index_dist(0, 99);
    
    // 产生10个0~99之间的随机整数
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
        std::cout << index_dist(rng) << std::endl;
    
    return 0;
}

上面代码中，std::time(nullptr)是因为在程序中需要产生随机数，同时又需要使用一定的随机种子。std::time(nullptr)函数会返回当前时间的UNIX时间戳，这是一个非常常见的种子选择方法。rng是随机数生成器的类型，而index_dist是随机数分布类型，并将随机数的范围设置在0~99之间。

下面是上面代码的输出结果，由于是随机生成，因此每次输出结果都不同。

输出结果：

72

11
5
74
41
59
34
75
18
55

4. 使用C++11中的random库生成随机数

4.1 C++11中的random库介绍

在C++11中新增了一套随机数分发库，用于代替以前的rand()库。C++11中的random库提供了更多新的随机数分类，如伯努利分布、泊松分布等。

在使用C++11中的random库之前，需要确保编译器已支持C++11，同时需要包含头文件。

4.2 使用uniform_int_distribution生成整数随机数

和Boost库一样，C++11中的random库也提供了uniform_int_distribution生成均匀分布的随机数。

#include 
#include 
int main()
{
    // 随机数生成器
    std::default_random_engine generator(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch().count());
    
    // 随机数分布类型和参数
    std::uniform_int_distribution distribution(0, 99);
    
    // 产生10个0~99之间的随机整数
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
        std::cout << distribution(generator) << std::endl;
    
    return 0;
}

上面代码中，std::default_random_engine是随机数生成器的类型，而std::uniform_int_distribution是随机数分布类型，并将随机数的范围设置在0~99之间。

下面是上面代码的输出结果，由于是随机生成，因此每次输出结果都不同。

输出结果：

58

3
82
40
28
10
59
46
40
1

4.3 设置随机数分布

C++11的random库允许设置分布为非线性或自定义概率分布的随机数生成器。在设置非线性分布时，可以使用std::normal_distribution、std::exponential_distribution、std::lognormal_distribution、std::gamma_distribution、std::weibull_distribution等分布。

#include 
#include 
int main()
{
    // 随机数生成器
    std::default_random_engine generator(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch().count());
    
    // 设置指数分布的参数（平均值）
    double mean = 5.0;
    std::exponential_distribution distribution(1.0 / mean);
    
    // 产生10个指数分布的随机浮点数
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
        std::cout << distribution(generator) << std::endl;
    
    return 0;
}

5. 总结

C++是一门健壮而又强大的编程语言，它允许开发人员使用多种方式来生成随机数。本文介绍了C++中的三种不同方式来生成随机数，它们分别是使用rand()函数、使用Boost库和使用C++11中的random库。当需要生成运算随机数时，推荐使用Boost和C++11中的random库，这两个库提供了多种随机数类型和分布类型，且在生成随机数的质量和分布方面比rand()函数更强大和可靠。