C语言随机数生成教程,C语言rand和srand用法详解

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在实际编程中,我们经常需要生成随机数,例如,贪吃蛇游戏中在随机的位置出现食物,扑克牌游戏中随机发牌。

C语言中,我们一般使用 <stdlib.h> 头文件中的 rand() 函数来生成随机数,它的用法为:

int rand (void);

void 表示不需要传递参数。
C语言中还有一个 random() 函数可以获取随机数,但是 random() 不是标准函数,不能在 VC/VS 等编译器通过,所以比较少用。
rand() 会随机生成一个位于 0 ~ RAND_MAX 之间的整数。

RAND_MAX 是 <stdlib.h> 头文件中的一个宏,它用来指明 rand() 所能返回的随机数的最大值。C语言标准并没有规定 RAND_MAX 的具体数值,只是规定它的值至少为 32767。在实际编程中,我们也不需要知道 RAND_MAX 的具体值,把它当做一个很大的数来对待即可。

下面是一个随机数生成的实例:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    int a = rand();
    printf("%d\n",a);
    return 0;
}
运行结果举例:
193

随机数的本质

多次运行上面的代码,你会发现每次产生的随机数都一样,这是怎么回事呢?为什么随机数并不随机呢?

实际上,rand() 函数产生的随机数是伪随机数,是根据一个数值按照某个公式推算出来的,这个数值我们称之为“种子”。种子和随机数之间的关系是一种正态分布,如下图所示:

C语言随机数和种子之间呈正态分布

种子在每次启动计算机时是随机的,但是一旦计算机启动以后它就不再变化了;也就是说,每次启动计算机以后,种子就是定值了,所以根据公式推算出来的结果(也就是生成的随机数)就是固定的。

重新播种

我们可以通过 srand() 函数来重新“播种”,这样种子就会发生改变。srand() 的用法为:
void srand (unsigned int seed);
它需要一个 unsigned int 类型的参数。在实际开发中,我们可以用时间作为参数,只要每次播种的时间不同,那么生成的种子就不同,最终的随机数也就不同。

使用 <time.h> 头文件中的 time() 函数即可得到当前的时间(精确到秒),就像下面这样:
srand((unsigned)time(NULL));
有兴趣的读者请猛击这里自行研究 time() 函数的用法,本节我们不再过多讲解。

对上面的代码进行修改,生成随机数之前先进行播种:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    int a;
    srand((unsigned)time(NULL));
    a = rand();
    printf("%d\n", a);
    return 0;
}
多次运行程序,会发现每次生成的随机数都不一样了。但是,这些随机数会有逐渐增大或者逐渐减小的趋势,这是因为我们以时间为种子,时间是逐渐增大的,结合上面的正态分布图,很容易推断出随机数也会逐渐增大或者减小。

生成一定范围内的随机数

在实际开发中,我们往往需要一定范围内的随机数,过大或者过小都不符合要求,那么,如何产生一定范围的随机数呢?我们可以利用取模的方法:
int a = rand() % 10;    //产生0~9的随机数,注意10会被整除
如果要规定上下限:
int a = rand() % 51 + 13;    //产生13~63的随机数
分析:取模即取余,rand()%51+13我们可以看成两部分:rand()%51是产生 0~50 的随机数,后面+13保证 a 最小只能是 13,最大就是 50+13=63。

最后给出产生 13~63 范围内随机数的完整代码:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main(){
    int a;
    srand((unsigned)time(NULL));
    a = rand() % 51 + 13;
    printf("%d\n",a);
    return 0;
}

连续生成随机数

有时候我们需要一组随机数(多个随机数),该怎么生成呢?很容易想到的一种解决方案是使用循环,每次循环都重新播种,请看下面的代码:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    int a, i;
    //使用for循环生成10个随机数
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        srand((unsigned)time(NULL));
        a = rand();
        printf("%d ", a);
    }

    return 0;
}
运行结果举例:
8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

运行结果非常奇怪,每次循环我们都重新播种了呀,为什么生成的随机数都一样呢?

这是因为,for 循环运行速度非常快,在一秒之内就运行完成了,而 time() 函数得到的时间只能精确到秒,所以每次循环得到的时间都是一样的,这样一来,种子也就是一样的,随机数也就一样了。

那么,该如何解决呢?难道就没有办法连续生成随机数了吗?当然有,我们将在《C语言连续生成多个随机数》一节中给出一种巧妙的解决方案。
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