C++随机数（rand和srand）函数用法详解

2021-07-11 00:52:04

C++ 提供了一组函数以生成和使用随机数字。随机数字就是从一组可能的值中进行随机选择而获得的一个值。该组中的值都有相同的被选中的几率。

C++ 库有一个名为 rand() 的函数，每次调用该函数都将返回一个非负整数。要使用 rand() 函数，必须在程序中包含头文件。以下是其用法示例：

randomNum = rand();

但是，该函数返回的数字其实是伪随机数。这意味着它们具有随机数的表现和属性，但实际上并不是随机的，它们实际上是用算法生成的。

该算法需要一个起始值，称为种子，以生成数字。如果没有给出一个种子，那么它将在每次运行时产生相同的数字流。下面的程序说明了这一点：

//This program demonstrates what happens in C++ if you
// try to generate random numbers without setting a "seed".
#include <iostream>
#include <cstdlib>// Header file needed to use rand
using namespace std;
int main()
{
    // Generate and printthree random numbers
    cout << rand() << " ";
    cout << rand() << " ";
    cout << rand() << endl ;
    return 0;
}

第1次运行输出结果：
41 18467 6334
第2次运行输出结果：
41 18467 6334

要在每次运行程序时获得不同的随机数字流，则必须为随机数生成器提供一个种子以开始。在 C++ 中，这是通过调用 srand 函数完成的。

在 rand 被调用之前，srand 函数要先被调用，并且 srand 在整个程序中仅被调用一次。

// This program demonstrates using random numbers when a
// "seed" is provided for the random number generator.
#include <iostream>
#include <cstdlib> // Header file needed to use srand and rand
using namespace std;
int main()
{
    unsigned seed;  // Random generator seed
    // Get a nseed" value from the user
    cout << "Enter a seed value: ";
    cin >> seed;
    // Set the random generator seed before calling rand()
    srand(seed);
    //Now generate and print three random numbers
    cout << rand() << " ";
    cout << rand() << " ";
    cout << rand() << endl;
    return 0;
}

第1次运行结果：
Enter a seed value: 19
100 15331 209
第2次运行结果：
Enter a seed value: 171
597 10689 28587

程序中，第 9 行中创建的用于保存种子的变量 seed 被声明为 unsigned 无符号类型。这个数据类型只保存非负整数。这是 srand 函数在调用时期望接收的数据类型，因此使用 unsigned 变量类型可以保证不会将负数发送给 srand。从程序的输出可以看出，每次程序使用不同的种子运行时，都会生成不同的随机数字流。然而，如果再次使用 19 或 171 作为种子运行程序，则将获得与第一次完全相同的数字。

程序的第 12 行中，使用 cin 从用户的输入获取随机数生成器种子的值。实际上，获取种子值的另一个常见做法是调用 time 函数，它是 C++ 标准库的一部分。

time 函数返回从 1970 年 1 月 1 日午夜开始到现在逝去的秒数，因此每次运行程序时，它都将提供不同的种子值。下面程序演示了 time 函数的用法。请注意，在调用它时必须给它传递一个参数 0。同时程序中包含一个新的头文件 ctime，此头文件是使用 time 函数所必需的。

//This program demonstrates using the C++ time function
//to provide a nseed,T for the random number generator.
#include <iostream>
#include <cstdlib> // Header file needed to use srand and rand
#include <ctime> // Header file needed to use time
using namespace std;
int main()
{
    unsigned seed;  // Random generator seed
    // Use the time function to get a "seed” value for srand
    seed = time(0);
    srand(seed);
    // Now generate and print three random numbers
    cout << rand() << " " ;
    cout << rand() << " " ;
    cout << rand() << endl;
    return 0;
}

程序输出结果：
2961 21716 181

限制随机数的范围
有时程序需要一个特定范围内的随机数。要将随机数的范围限制在 1 和某个最大值 max 之间的整数，可以使用以下公式：
number = rand() % max + 1;

例如，要生成 1〜6 的随机数来代表骰子的点数，则可以使用以下语句：
dice = rand() % 6 + 1;

这里简单介绍一下其工作原理。求余数运算符（％）可以获得整除之后的余数。当使用通过 rand 函数返回的正整数除以6时，余数将是 0〜5 的数字。因为目标是 1〜6 的数字，所以只需要给余数加 1 即可。

这个想法可以扩展到任意范围内的随机数，其通用公式如下：
number = (rand()%(maxValue - minValue +1)) + minValue;

在上述公式中，minValue 是范围内的最小值，而 maxValue 则是范围内的最大值。例如，要获得 10〜18 的随机数，可以使用以下代码给变量 number 赋值：

const int MIN_VALUE = 10;
const int MAX_VALUE = 18;
number = rand() % (MAX_VALUE - MIN_VALUE + 1) + MIN_VALUE;

在上述代码中，（MAX_VALUE - MIN_VALUE + 1）的值为 9，这是目标范围内整数的个数。余数运算符（％）返回的值是 0〜8 的数字，再用它加上 MIN_VALUE（也就是 10），即可获得 10〜18 的随机数。

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