srand() - 为什么只需要调用一次？

Question

这个问题涉及到关于推荐的srand()初始化方式的评论。第一条评论中提到，srand()在应用程序中只应该被调用一次。为什么会这样呢？

- Lipika Deka

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尝试在循环中调用srand和rand函数。 - Foo Bah

另请参阅Dilbert的会计之旅。 - Jonathan Leffler

参见初始化srand()的推荐方法？ 使用time(0)作为传递给srand()的值是简单的，因此可能足够，因为srand()通常也是简单的（请参见C标准中的示例实现，它假定RAND_MAX为32,767）。 链接的Q&A中的一个解决方案使用一个函数来混合3个值——来自clock()、time(0)和getpid()的结果。使用混合函数是一个好主意。也可以使用CRC。 - Jonathan Leffler

Answer 1

这取决于您要实现什么目标。

随机化是作为一个函数执行的，它具有一个起始值，即“种子”。

因此，对于相同的种子，您将始终获得相同的值序列。

如果您每次需要一个随机值都尝试设置种子，并且种子是相同的数字，则始终会获得相同的“随机”值。

种子通常来自当前时间，即秒数，例如 "time（NULL）"，因此，如果您在获取随机数之前始终设置种子并多次调用 srand/rand 组合，则只要在“同一秒钟”内调用，则将获得相同的数字。

为了避免这个问题，srand 仅在应用程序中设置一次，因为很难在同一秒钟内初始化两个应用程序实例，因此每个实例将具有不同的随机数序列。

但是，您可能会在一秒钟内多次运行应用程序（特别是如果它是短暂的，或者是命令行工具之类的东西），那么您将不得不采用其他选择种子的方式（除非您认为不同应用程序实例中的相同序列可以接受）。但正如我所说，这取决于您的应用程序使用情况。

此外，您可能希望尝试将精度提高到微秒级（最小化相同种子的机会），需要（"sys/time.h"）：

struct timeval t1;
gettimeofday(&t1, NULL);
srand(t1.tv_usec * t1.tv_sec);

- Kornelije Petak

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附注：在 POSIX 2008 中，gettimeofday 已经过时。取而代之的是 clock_gettime，可能需要链接 -lrt。然而，在许多平台上它可能还不可用。在 Linux 上，这是可以的。在 Mac 上，我认为它尚不可用。在 Windows 上，它可能永远不会可用。 - Shahbaz

t1.tv_usec是一个长整型，srand函数的输入参数是无符号整型。（我刚遇到了一个问题，这点很重要。） - Jiminion

做到了。通过增加精度，我摆脱了重复项。非常感谢您。我有一个交付期限，这拯救了我的后路。 - Beezer

Answer 2

生成的随机数其实是伪随机数。首先设置一个种子，每次调用 rand 函数都会得到一个随机数，并修改内部状态，下一次调用 rand 时就会使用这个新状态来获取另一个随机数。因为使用某个公式生成这些“随机数”，所以在每次调用 rand 后设置相同的种子值会返回相同的数字。例如 srand(1234); rand(); 将返回相同的值。仅用种子值初始化初始状态一次将生成足够多的随机数，因此当你不使用 srand 设置内部状态时，这些数字更有可能是随机的。

通常我们使用 time(NULL) 返回的秒数值来初始化种子值。假设 srand(time(NULL)); 在一个循环中，那么循环可以在一秒内迭代多次，因此循环中的每次调用 rand 都将返回相同的“随机数”，这是不希望发生的。在程序启动时初始化一次将只设置一次种子，每次调用 rand 都会生成一个新的数字并修改内部状态，因此下一次调用 rand 将返回足够随机的数字。

例如来自 http://linux.die.net/man/3/rand 的这段代码：

static unsigned long next = 1;
/* RAND_MAX assumed to be 32767 */
int myrand(void) {
    next = next * 1103515245 + 12345;
    return((unsigned)(next/65536) % 32768);
}
void mysrand(unsigned seed) {
    next = seed;
}

内部状态 next 被声明为全局变量。每个 myrand 调用都会修改内部状态并更新它，然后返回一个随机数。因此，每次调用 myrand 都将有不同的 next 值，导致该方法每次调用都返回不同的数字。

看一下 mysrand 的实现；它只是将你传递给 next 的种子值设置为相同的。因此，如果你在调用 rand 之前每次设置相同的 next 值，它将返回相同的随机值，因为应用于它的公式是相同的，这是不希望发生的，因为该函数是用来生成随机数的。

但是根据你的需求，你可以将种子设置为某个固定值，以便每次运行时生成相同的“随机序列”，例如用于基准测试或其他情况。

- phoxis

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你是不是指的是mysrand()函数的参数(unsigned long seed)？ - Jiminion

@Jiminion 这是来自 man srand 的代码片段。范围从0到32767（假设RAND_MAX），远小于long的范围。状态变量next被设置为long，因为内部乘法和加法将超出unsigned int的范围。之后，结果在上述指定的范围内进行缩放或修改。虽然您可以使种子成为long。 - phoxis

请注意，C标准中也包含了所示代码片段。 - Jonathan Leffler

Answer 3

简短回答：调用srand()不像为随机数生成器“掷骰子”，也不像洗牌。如果说有什么类似的话，它更像是只切一副牌。

可以这样想，rand()从一副大牌中发牌，每次调用时，它只是从牌堆顶部选择下一张牌，给您该值，并将该牌返回到牌堆底部。(是的，这意味着“随机”序列会在一段时间后重复。不过这是非常大的一副牌：通常为4,294,967,296张。) 此外，每次程序运行时，都会从游戏商店购买全新的牌组，而且每个全新的牌组总是具有相同的序列。 因此，除非您进行特殊操作，否则每次程序运行时，都将从rand()获得完全相同的“随机”数字。

现在，你可能会说，“好的，那么我该如何洗牌？”至少就rand和srand而言，答案是没有办法洗牌。

那么srand是做什么的呢？基于我一直在构建的类比，调用srand(n)基本上就像是在说：“从顶部切掉n张牌”。但是等等，还有一件事：实际上是开始使用另一个全新的牌组，并将其从顶部切掉n张。

因此，如果您每次都使用相同的n调用srand(n)、rand()、srand(n)、rand()...，您不仅会得到一个不太随机的序列，而且实际上每次都会从rand()中得到相同的数字。（可能不是您传递给srand的相同数字，但是从rand中反复得到相同的数字。）

所以你能做的最好的事情就是只切牌一次，也就是在程序开始时调用srand()一次，并使用一个相当随机的n，这样每次运行程序时都会从大牌堆的不同随机位置开始。对于rand()，这确实是你能做到的最好的。

[附言：是的，我知道，在现实生活中，当你购买全新的扑克牌时，它通常是有序的，而不是随机的顺序。为了让这里的比喻起作用，我想象每个你从游戏商店购买的牌组都是看似随机的顺序，但确切相同的看似随机的顺序。有点像桥牌比赛中使用的完全相同洗牌的牌组。]

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补充说明：如果一个伪随机数生成算法和一个给定的种子值相同，那么你总是会得到相同的序列。可以参考this question进行非常可爱的演示（该问题与C语言无关，但仍然适用）。

- Steve Summit

Answer 4

原因在于 srand() 设置了随机生成器的初始状态，如果您在其间不干扰该状态，生成器产生的所有值都足够“随机”。例如，您可以这样做：

int getRandomValue()
{
    srand(time(0));
    return rand();
}

如果您多次调用该函数，使得time()在相邻的调用中返回相同的值，则生成的值也将相同——这是设计如此的。

- sharptooth

Answer 5

srand函数用于初始化伪随机数生成器。如果你调用它超过一次，就会重新初始化该随机数生成器。而且，如果你使用相同的参数再次调用它，它将重新启动相同的序列。

为了证明这一点，如果你执行以下简单操作，你将看到相同的数字被打印100次：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    for(int i = 0; i != 100; ++i) {
        srand(0);
        printf("%d\n", rand());
    }
}

- Foo Bah

Answer 6

一种更简单的使用srand()生成在同一秒运行的应用程序实例不同种子的解决方案如下所示。

srand(time(NULL)-getpid());

此方法使您的种子非常接近随机，因为无法猜测线程启动的时间并且 pid 也会不同。

- achoora

Answer 7

1. 似乎每次运行 rand()，它都会为下一个 rand() 设置一个新的种子。

2. 如果 srand() 运行多次，问题在于如果两个运行发生在同一秒钟内（time(NULL) 不变），那么下一个 rand() 将与前一个 srand() 后的 rand() 相同。

- imoc

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重点是使用相同的种子多次使用srand()进行初始化将导致rand()返回相同的值。 - King Thrushbeard