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C++生成随机数

article 2024/11/14 16:59:29

一、传统方式：std::rand 和 std::srand

使用方法：

优缺点：

二、现代方式：库（推荐）

1. 随机整数

2. 随机浮点数

3. 布尔值

4. 字符

5. 正态分布（高斯分布）

6. 离散分布的随机数

7. 随机字符串

8. UUID（通用唯一标识符）

三、std::shuffle：用于打乱序列

四、总结：选择合适的随机数生成方法

一、C++ 中随机数生成的重要性

1. 模拟与建模

例子：

2. 游戏开发

例子：

3. 密码学和安全性

例子：

4. 机器学习与优化算法

例子：

5. 统计分析和实验设计

例子：

二、C++ 中随机数的用途

1. 生成随机整数

用途：

2. 生成随机浮点数

用途：

3. 生成布尔值

用途：

4. 生成随机字符和字符串

用途：

5. 生成正态分布随机数

用途：

6. 生成离散分布随机数

用途：

7. 随机排列（std::shuffle）

用途：

三、总结

随机数的生成在 C++ 中具有以下重要性：

一、传统方式：`std::rand` 和 `std::srand`

rand

srand

在 C++ 标准库中，std::rand() 和 std::srand() 是较早的随机数生成方法，适用于简单的需求。需要注意的是，它们的随机数质量不高，且每次运行程序时，如果没有设置种子，生成的随机数序列是固定的。

使用方法：

/* rand example: guess the number */
#include <stdio.h>      /* printf, scanf, puts, NULL */
#include <stdlib.h>     /* srand, rand */
#include <time.h>       /* time */

int main ()
{
  int iSecret, iGuess;

  /* initialize random seed: */
  srand (time(NULL));

  /* generate secret number between 1 and 10: */
  iSecret = rand() % 10 + 1;

  do {
    printf ("Guess the number (1 to 10): ");
    scanf ("%d",&iGuess);
    if (iSecret<iGuess) puts ("The secret number is lower");
    else if (iSecret>iGuess) puts ("The secret number is higher");
  } while (iSecret!=iGuess);

  puts ("Congratulations!");
  return 0;
}

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

int main() {
    // 设置随机数种子（使用当前时间作为种子）
    std::srand(static_cast<unsigned int>(std::time(0)));

    // 生成 0 到 99 之间的随机数
    int random_number = std::rand() % 100;
    std::cout << "Random number: " << random_number << std::endl;

    return 0;
}

优缺点：

优点：简单，适合快速生成随机数。
缺点：随机数的质量较低，容易受到周期限制，难以控制随机数的分布。

二、现代方式：`<random>` 库（推荐）

random文档

C++11 引入了 <random> 库，提供了比 rand() 更好的随机数生成机制，包括多种分布（均匀分布、正态分布、伯努利分布等）和更复杂的生成器。它的优点是可以生成高质量的随机数，并且能够控制随机数的分布。

所有类型

随机整数

随机浮点数

布尔值

字符

正态分布（高斯分布）

离散分布的随机数

随机字符串

UUID（通用唯一标识符）

1. 随机整数

生成随机数

int main()
{
	std::random_device rd;

    //打印结果是随机数
	std::cout << "Random value: " << rd() << std::endl;

	return 0;
}

std::random_device

文档

std::uniform_int_distribution

std::uniform_int_distribution文档

使用 std::uniform_int_distribution 可以生成指定范围内的均匀分布的整数。

std::mt19937的文档

mt19937 - C++ Reference (cplusplus.com)

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd;   // 获取随机数种子
    std::mt19937 gen(rd());  // 梅森旋转算法生成随机数
    std::uniform_int_distribution<> dis(1, 100);  // [1, 100] 范围的整数

    int random_int = dis(gen);
    std::cout << "Random integer: " << random_int << std::endl;
    return 0;
}

random_int是1到100的随机数

2. 随机浮点数

使用 std::uniform_real_distribution 可以生成指定范围内的均匀分布浮点数。

uniform_real_distribution 文档

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_real_distribution<> dis(0.0, 1.0);  // [0.0, 1.0] 范围的浮点数

    double random_float = dis(gen);
    std::cout << "Random floating-point number: " << random_float << std::endl;
    return 0;
}

3. 布尔值

布尔值可以通过生成随机的整数（0 或 1）来实现。

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> dis(0, 1);  // 生成 0 或 1

    bool random_bool = dis(gen);
    std::cout << "Random boolean value: " << (random_bool ? "true" : "false") << std::endl;
    return 0;
}

4. 字符

通过生成字符的 ASCII 码，再将其转换为字符类型。

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> dis('A', 'Z');  // [A, Z] 范围的字符

    char random_char = dis(gen);
    std::cout << "Random character: " << random_char << std::endl;
    return 0;
}

5. 正态分布（高斯分布）

std::normal_distribution 可以生成符合正态分布的随机数，适用于模拟许多自然现象。

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::normal_distribution<> dis(0.0, 1.0);  // 均值 0，标准差 1 的正态分布

    double random_normal = dis(gen);
    std::cout << "Random normal distributed number: " << random_normal << std::endl;
    return 0;
}

6. 离散分布的随机数

std::uniform_int_distribution 可以用于生成离散值的随机数。例如，模拟掷骰子时生成 1 到 6 之间的随机数。

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> dis(1, 6);  // [1, 6] 范围的整数

    int dice_roll = dis(gen);
    std::cout << "Dice roll: " << dice_roll << std::endl;
    return 0;
}

7. 随机字符串

通过生成一系列随机字符，可以构造一个随机字符串。

#include <iostream>
#include <random>
#include <string>

int main() {
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> dis('A', 'Z');  // [A, Z] 范围的字符

    std::string random_string;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        random_string += dis(gen);
    }

    std::cout << "Random string: " << random_string << std::endl;
    return 0;
}

8. UUID（通用唯一标识符）

虽然 C++ 标准库没有直接支持生成 UUID，但可以使用一些第三方库（如 Boost 或 libuuid）来生成 UUID。

三、`std::shuffle`：用于打乱序列

std::shuffle 可以用来打乱容器中的元素，通常用于生成随机排列。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <random>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::shuffle(vec.begin(), vec.end(), gen);

    std::cout << "Shuffled vector: ";
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}