C语言中的随机数完整变化

Question

我正在尝试使用以下代码生成64位随机数。我想要二进制数字，但问题是我不能让所有比特都变化。我希望数字尽可能地变化。

void PrintDoubleAsCBytes(double d, FILE* f)
{

f = fopen("tb.txt","a");

  unsigned char a[sizeof(d)];
  unsigned i;
  memcpy(a, &d, sizeof(d));
  for (i = 0; i < sizeof(a); i++){
    fprintf(f, "%0*X", (CHAR_BIT + 3) / 4, a[sizeof(d)-1-i]);

  }
   fprintf(f,"\n");
 fclose(f); /*done!*/
}

int main (int argc, char *argv)
{

int limit = 100 ;
double a, b;                
double result;
int i ;           
printf("limit = %d", limit );

for (i= 0 ; i< limit;i++)
    {
    a= rand();
    b= rand();
    result = a * b;
    printf ("A= %f B = %f\n",a,b);
    printf ("result= %f\n",result);
    PrintDoubleAsCBytes(a, stdout); puts("");
    PrintDoubleAsCBytes(b, stdout); puts("");
    PrintDoubleAsCBytes(result, stdout); puts("");

    }
}

输出文件

41DAE2D159C00000        //Last bits remain zero, I want them to change as well as in case of the result
41C93D91E3000000
43B534EE7FAEB1C3
41D90F261A400000
41D98CD21CC00000
43C4021C95228080
41DD2C3714400000
41B9495CFF000000
43A70D6CAD0EE321

我应该怎么做才能实现这个？我对软件编程没有太多经验。

- chitranna

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生成一个随机的二进制浮点数并不是一件简单的事情。大多数流行的明显技术（例如生成[0，2^53）范围内的随机整数，然后除以2^53）都有微妙的错误。正确的算法在这里给出：http://allendowney.com/research/rand/。他的算法只生成半开区间[0，1）内的数字，但您可以安全地将结果缩放到所需的任何区间。 - zwol

@Zack 他想生成一个随机的64位整数，而不是一个随机浮点数。 - Patashu

你想要一个随机浮点数还是只需要64个随机位？ - Detheroc

@Patashu，我在代码中看到的是double，而不是uint64_t。也许这是另一个错误。 - zwol

我想要一个64位的随机浮点数，而不仅仅是64个随机位。我将前两个浮点数相加以得到答案，并使用我的硬件进行验证。 - chitranna

Answer 1

在Java中非常容易：

Random rng = new Random(); //do this only once

long randLong = rng.NextLong();
double randDoubleFromBits = Double.longBitsToDouble(randLong);

在C语言中，我只知道一种简单的方法来实现它：)

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由于RAND_MAX可能低至2^15-1，但其实现是定义的，因此您可以通过使用屏蔽和位移来从rand（）获取64个随机位：

//seed program once at the start
srand(time(NULL));

uint64_t a = rand()&0x7FFF;
uint64_t b = rand()&0x7FFF;
uint64_t c = rand()&0x7FFF;
uint64_t d = rand()&0x7FFF;
uint64_t e = rand()&0x7FFF;
uint64_t random = (a<<60)+(b<<45)+(c<<30)+(d<<15)+e;

将它放入一个union中，使用union的另一个成员将其位解释为double。类似于以下的代码：

union
{
    double d;
    long l;
} doubleOrLong;

doubleOrLong.l = random;
double randomDouble = doubleOrLong.d;

（我尚未测试此代码）

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编辑：它的工作原理解释

首先，srand(time(NULL));使用当前时间戳对 rand 进行种子。因此，您只需要在开始时执行此操作，如果您想要重新生成早期的 RNG 序列，则可以重复使用该种子。

rand() 返回一个介于 0 和 RAND_MAX（包括）之间的随机、无偏整数。RAND_MAX 至少保证为 2^15-1，即 0x7FFF。为了使编写的程序不受 RAND_MAX 的影响（例如，它可以是 2^16-1、2^31-1、2^32-1...），我们屏蔽除底部 15 位以外的所有内容 - 0x7FFF 在二进制中为 0111 1111 1111 1111，即为底部 15 位。

现在，我们必须将所有 15 个随机位打包到 64 位中。位移运算符 << 将左操作数（右操作数）位向左移动。因此，我们称之为随机的最终 uint64_t 具有从其他变量派生的随机位，如下所示：

aaaa bbbb bbbb bbbb bbbc cccc cccc cccc ccdd dddd dddd dddd deee eeee eeee eeee

但是，它仍然被视为 uint64_t，而不是 double。这是未定义的行为，因此您应该确保它在您选择的编译器上按预期工作，但是如果您将此 uint64_t 放入 union 中，然后读取 union 的其他 double 成员，则您将（希望！）将这些相同的位解释为由随机位组成的 double。

- Patashu

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@未定义行为 有更好的方法吗？ - Patashu

@Patashu更好。形容词。更优秀或更有效的类型或质量。您需要详细说明。 - autistic

@Patashu 如果将uint64_t的位解释为double的位，也会引发未定义的行为。 - autistic

@Alexey Frunze 因为0x8F是底部的15位 - 0111 1111 1111 1111。 - Patashu

@undefinedbehaviour：“使用联合体的不同成员是未定义行为。” 不，C99 TC3脚注82明确允许使用联合体进行类型转换。 - Pascal Cuoq

Answer 2

根据您的平台，但假设使用IEEE 754标准，例如维基百科，为什么不明确处理内部双精度格式？

（除非出现错误），这将生成随机但有效的双精度数。 [ 这里并没有完全涵盖所有情况，例如当exp = 0或0x7ff的情况 ]

double randomDouble()
{
    uint64_t buf = 0ull;

    // sign bit
    bool odd = rand()%2 > 0;
    if (odd)
        buf  = 1ull<<63;

    // exponent

    int exponentLength = 11;

    int exponentMask = (1 << exponentLength) - 1;

    int exponentLocation = 63 - exponentLength;

    uint64_t exponent = rand()&exponentMask;

    buf += exponent << exponentLocation;

    // fraction

    int fractionLength = exponentLocation;
    int fractionMask  = (1 << exponentLocation) - 1;

    // Courtesy of Patashu

    uint64_t a = rand()&0x7FFF;
    uint64_t b = rand()&0x7FFF;
    uint64_t c = rand()&0x7FFF;
    uint64_t d = rand()&0x7FFF;

    uint64_t fraction = (a<<45)+(b<<30)+(c<<15)+d;
    fraction = fraction& fractionMask;
    buf += fraction;

    double* res = reinterpret_cast<double*>(&buf);
    return *res;
}

- Keith

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该问题被标记为C语言，而不是C++。 - Alexey Frunze

@Alexey Frunze，这确实是个困惑的问题，因为在问题的评论中，OP说他可以接受C++或Java。 （不确定这是否意味着它可以在C++或Java中实现，还是说如果他用C++或Java阅读，他会理解你正在做什么...） - Patashu

我只需要生成几百万个测试用例到一个文件中，以运行我的硬件模拟。 - chitranna

你是怎么得出几百万的？ - Alexey Frunze

Answer 3

你可以使用以下代码：

void GenerateRandomDouble(double* d)
{
  unsigned char* p = (unsigned char*)d;
  unsigned i;
  for (i = 0; i < sizeof(d); i++)
    p[i] = rand();
}

这种方法的问题在于，您的C程序可能无法使用此函数返回的某些值，因为它们是无效或特殊的浮点值。

但是，如果您正在测试硬件，则可以生成随机字节并直接将它们馈送到该硬件中，而无需先将它们转换为double。

您唯一需要将这些随机字节视为double的地方是验证由硬件返回的结果的时候。

在那个时候，您需要查看字节并查看它们是否表示有效值。如果是，则可以将字节memcpy()到double中并使用它。

下一个要处理的问题是溢出/下溢和由您需要对这些随机doubles执行的任何操作引起的异常。您需要弄清楚如何在您的平台（编译器+ CPU + OS）上处理它们，无论您是否能够安全可靠地检测到它们。

但这似乎是一个单独的问题，可能已经被提出并回答了。

- Alexey Frunze

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有没有办法我可以将这两个数字连接起来，使它们成为一个更大的数字？并且可以重复使用你提供给我的代码吗？ - chitranna

什么两个数字？是什么类型的？你所说的“连接”具体指什么？比什么更大？ - Alexey Frunze