C语言中生成随机数的方法

本文目录

• 生成随机数的概念
• 相关函数介绍
• • time()函数
  • srand()函数
  • srandom()函数
  • random函数()
  • getpid()函数
• 生成随机数的方法
• • 例子1：使用rand()函数生成随机数
  • 例子2：使用random函数生成随机数
  • 例子3：使用getpid函数生成随机数
  • 例子4：使用/dev/random和/dev/urandom设备文件生成随机数

生成随机数的概念

  生成随机数是指按照一定的规律，产生一些看似无规律的数字序列。在计算机中，通常使用随机数生成器来生成随机数。随机数生成器可以分为真随机数生成器和伪随机数生成器两种。真随机数生成器是利用物理现象产生的随机事件（如放射性衰变）来生成随机数。而伪随机数生成器是利用算法产生的数字序列，虽然看似无规律，但实际上是可以预测的。

  在计算机中，通常使用伪随机数生成器来生成随机数。伪随机数生成器通常由一个种子值和一个算法组成。种子值是生成随机数的起始值，而算法则是根据种子值和一些数学运算来产生下一个随机数。为了让生成的随机数更加随机，通常会将种子值设置为当前的时间戳，以确保每次运行程序时生成的随机数都不同。

相关函数介绍

  由于在生成随机数的时候会使用到某些函数，接下来先进行补充。

time()函数

  C语言的time()函数原型为：

time_t time(time_t *t);

  其中，time_t是C语言标准库中的一种时间类型，time()函数的返回值类型为time_t。该函数的作用是获取当前时间的秒数，并将其返回。如果将一个time_t类型的指针传递给该函数，它会将当前时间的秒数存储在该指针所指向的变量中。

  以下是一个简单的示例：

#include #include int main(int argc, char const *argv[]){time_t time_value;time_value = time(NULL);printf("time_value：%ld\n", time_value);return 0;}

  在Linux中的运行结果为：

 该程序输出的是当前时间的秒数。如果想要将时间戳转换为其他形式的时间表示，可以使用C语言标准库中的其他函数，例如gmtime()、localtime()等。

   time(NULL)函数获取的是从1970年1月1日0时0分0秒开始到当前时刻的秒数，即Unix时间戳。Unix时间戳是计算机领域中常用的时间表示方法之一，它是以UTC时间为基准，以秒为单位计算的时间戳，可以方便地进行时间计算和比较。

  需要注意的是，由于time(NULL)获取的是当前时刻的秒数，因此它的返回值是一个动态变化的值，每次调用都会返回不同的值。如果需要在程序中多次使用当前时间，应该将time(NULL)的返回值保存在一个变量中，而不是多次调用该函数。

srand()函数

  srand()函数是C语言标准库中的一个函数，用于设置随机数生成器的种子。它的原型如下：

void srand(unsigned int seed);

  其中，seed是一个无符号整数，用于指定随机数生成器的种子。调用srand()函数后，随机数生成器将以seed作为起始值，生成一系列随机数。

  需要注意的是，如果不调用srand()函数，随机数生成器将使用一个默认的种子。由于默认种子通常是根据系统时间来生成的，因此每次运行程序时，随机数生成器都会生成不同的随机数序列。

  以下是一个简单的示例：

#include #include #include int main(int argc, char const *argv[]){int r;// 设置随机数的种子srand(time(NULL));for (int i = 0; i < 5; i++){// 生成随机数r = rand();printf("%d\n", r);}return 0;}

  在Linux中得到的运行结果为：

 该程序使用time()函数获取当前时间的秒数作为种子，调用srand()函数设置随机数生成器的种子，然后调用rand()函数生成一系列随机数。由于种子是基于时间的，因此每次运行程序时，生成的随机数序列都是不同的。

srandom()函数

  srandom()函数是C语言中用于初始化随机数生成器的函数。它的作用是设置一个种子，使得随机数生成器能够产生不同的随机数序列。它的原型如下：

void srandom(unsigned int seed);

  srandom()函数需要一个unsigned int类型的参数作为种子，这个种子可以是任意值，但是推荐使用当前时间作为种子，以保证每次程序运行时生成的随机数序列不同。使用srandom()函数之后，每次调用random()函数都会生成一个新的随机数，而且这些随机数之间也没有任何关联，也不会重复。

  下面是一个示例程序，演示如何使用srandom()函数和random()函数生成随机数：

#include #include #include int main(int argc, char const *argv[]){int i, r;unsigned int seed;srandom(seed);for (int i = 0; i < 5; i++){r = random();printf("%d\t", r);}printf("\n");return 0;}

  在Linux中观察到的运行结果：

  在这个示例程序中使用time()函数获取当前时间，将其转换为unsigned int类型的值，并作为srandom()函数的参数，以此来初始化随机数生成器。然后使用random()函数生成5个随机数，并将其输出到屏幕上。由于使用了srandom()函数，每次运行程序时，生成的随机数序列都是不同的。

  需要注意的是，在使用srandom()函数之前，必须包含头文件，否则编译器会报错。

  在上文中使用了两个函数对随机数的种子进行设定，但它们有何区别呢？

  srandom()函数和srand()函数都是C语言中用于生成随机数的函数，它们的作用是设置随机数生成器的种子，以便产生不同的随机数序列。它们的不同之处在于参数类型和取值范围。

  srand()函数的原型如下：

void srand(unsigned int seed);

  srand()函数需要一个unsigned int类型的参数作为种子，这个种子可以是任意值，但是推荐使用当前时间作为种子，以保证每次程序运行时生成的随机数序列不同。在使用srand()函数之后，每次调用rand()函数都会生成一个新的随机数，而且这些随机数之间也没有任何关联，也不会重复。注意，srand()函数的参数是一个32位无符号整数，其取值范围是0到4294967295。

  srandom()函数的原型如下：

void srandom(unsigned int seed);

  srandom()函数也需要一个unsigned int类型的参数作为种子，但是和srand()函数不同的是，srandom()函数使用的是一个48位整数作为种子，其取值范围更加广泛，可以达到更高的随机性。在使用srandom()函数之后，每次调用random()函数都会生成一个新的随机数，而且这些随机数之间也没有任何关联，也不会重复。注意，srandom()函数的参数是一个32位无符号整数，但是内部会将其扩展为48位整数。

  需要注意的是，srand()函数和srandom()函数是不可互换的，也就是说，如果在程序中使用了srandom()函数设置了随机数生成器的种子，那么在生成随机数时必须使用random()函数。同样地，如果在程序中使用了srand()函数设置了随机数生成器的种子，那么在生成随机数时必须使用rand()函数。

random函数()

  random()函数是C语言标准库中用于生成随机数的函数。它的函数原型定义在头文件中：

long int random(void);

  该函数返回一个长整型数值，取值范围在0到RAND_MAX之间（包含0和RAND_MAX）。RAND_MAX是一个常量，它表示随机数的最大值，其值至少为32767。

  在调用random()函数之前，需要先使用srandom()函数来设置随机数种子。如果没有调用srandom()函数，那么random()函数每次都会使用默认的随机数种子，生成的随机数序列就会相同。

  random()函数的实现使用了一个名为__random_data的结构体来存储随机数生成器的状态。这个结构体包括了一些用于生成随机数的参数，比如随机数种子、随机数生成器的状态等等。在random()函数中，首先调用__random_getstate()函数获取随机数生成器的状态，然后再调用__random_r()函数生成一个随机数，并返回该随机数。

  需要注意的是，random()函数不是真正的随机数生成器，它只是生成一个伪随机数。生成的随机数是依据随机数生成器的状态（种子）和算法计算得到的，因此在给定相同的种子和算法的情况下，random()函数生成的随机数序列是固定的。如果需要更高质量的随机数，可以使用其他的随机数生成器库，例如OpenSSL、libgcrypt等。

getpid()函数

  getpid()函数是一个用于获取当前进程ID（Process ID）的函数，它的函数原型定义在头文件中：

#include #include pid_t getpid(void);

  该函数返回一个pid_t类型的值，表示当前进程的ID。进程ID是一个非负整数，通常由操作系统分配。每个进程都有一个唯一的进程ID，可以用来标识进程。

  需要注意的是，进程ID并不是随机分配的，而是按照一定的规则分配的。通常情况下，进程ID是连续的，即相邻的进程ID之间只相差1。但是，如果某个进程退出，它的进程ID可能会被其他进程重新使用，因此不能保证进程ID是连续的。

  下面是一个使用getpid()函数获取当前进程ID的例子：

#include #include #include int main(int argc, char const *argv[]){pid_t pid = getpid();printf("pid的值为：%d\n", pid);return 0;}

在Linux中观察到的运行结果为：

生成随机数的方法

  下面是4个例子演示了不同的生成随机数的方法。

例子1：使用rand()函数生成随机数

#include #include #include int main(int argc, char const *argv[]){srand(time(NULL));int random_number = rand() % 10;printf("得到的随机数为：%d\n", random_number);return 0;}

  在Linux中的运行结果为：

例子2：使用random函数生成随机数

#include #include #include int main(int argc, char const *argv[]){// 初始化随机数种子srandom(time(NULL));// 生成0~9之间的随机数int random_num = random() % 10;printf("随机数为：%d\n", random_num);return 0;}

  在Linux中的运行结果为：

例子3：使用getpid函数生成随机数

#include #include #include int main(int argc, char const *argv[]){srand(getpid());printf("随机数为：%d\n", rand() % 10);return 0;}

在Linux中观察到的运行结果为：

例子4：使用/dev/random和/dev/urandom设备文件生成随机数

#include #include #include #include int main(int argc, char const *argv[]){int random_num;// 从/dev/random设备文件中读取随机数int fd = open("/dev/random", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open /dev/random failed");return -1;}read(fd, &random_num, sizeof(random_num));close(fd);printf("/dev/random生成的随机数为：%d\n", random_num);// 从/dev/urandom设备文件中读取随机数fd = open("/dev/urandom", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open /dev/urandom failed");return -1;}read(fd, &random_num, sizeof(random_num));close(fd);printf("/dev/urandom生成的随机数为：%d\n", random_num);return 0;}

  在Linux中观察到的运行结果：

 这些例子展示了不同的生成随机数的方法，包括使用rand函数、random函数、getpid函数以及/dev/random和/dev/urandom设备文件。在实际开发中，可以根据具体需求选择适合的随机数生成方法。