关于rand()和srand()

引子

相信大家对于rand()函数并不陌生，我们常用它来生成伪随机数，但是为什么有时候我们生成的随机数并不符合预期呢？或者说，为什么有时候我们生成的随机数并不随机？如何有效地生成伪随机数呢？

rand()

rand()函数是使用线性同余法做的，它并不是真的随机数，因为其周期特别长，所以在一定范围内可以看成随机的。
rand()函数不需要参数，它将会返回0到RAND_MAX之间的任意的整数。如果我们想要生成一个在区间[0, 1]之内的数，那么我们可以写出如下代码：

rand_num = rand()/RAND_MAX;

现在我们之内运行如下代码来生成10个随机数：

for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}

多次运行结果如图：

通常来说，这并不是我们所期望的结果，下面我们来看看如何使用srand()函数正确地实现伪随机数生成。

srand()

srand()为初始化随机数发生器，用于设置rand()产生随机数时的种子。传入的参数seed为unsigned int类型，通常我们会使用time(0)或time(NULL)的返回值作为seed。下面我们来进行实验，从而对它进行更深入的感知。

srand(1);
for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}

此时我们得到的结果为：

从图中来看，这与我们前面不使用srand()设置随机种子时结果一致，因此我们可以看出，如果我们不显示调用srand()的话，将默认为srand(1)。此外，从这次实验中可以看出，如果我们设置某个固定的seed，那么虽然在同一次运行时，会有不同的随机数产生，但是对于这段程序的多次运行所得到的结果是不变的。
那我们如何引入变化的种子呢？一般来说，我们会使用time(NULL)或time(0)来表示变化的种子，time(0)的返回的是从1970 UTC Jan 1 00:00到当前时刻的秒数，为unsigned int类型。当我们在不同时刻运行程序时，就会有不同的随机数种子，因此就可以得到不同的结果：

srand(time(0));
for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}

这段代码的运行结果为：

值得注意的是，如果，我们两次程序运行之间的间隔小于1s，那么会出现下面这种情形（我们通过在代码中两次调用srand(time(0))来模仿这种情形）：

srand(time(0));
for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}
cout << "--------------" << endl;
srand(time(0));
for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}

运行结果：

从图中来看，两次运行结果一致，这是为什么呢？因为我们两次调用srand()函数设置随机数种子之间的时间间隔不超过1s，这会导致我们重置随机数种子，从而等价于使用了一个固定的随机数种子。我们可以用下面的代码来进行验证：

srand(time(0));
for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}
cout << "--------------" << endl;
sleep(1.0);
srand(time(0));
for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}

此时我们得到的结果为：

为什么要特意指出这一点？这是为了防止我们不小心将srand(time(0))放入了随机数生成循环中：

for(int i = 0; i < 10; i++)
{srand(time(0));cout << rand() << endl;
}

我们得到的结果为：

如果，我们在其中引入sleep(1.0)，那么将没有问题：

for(int i = 0; i < 10; i++)
{srand(time(0));cout << rand() << endl;sleep(1.0);
}

输出结果为：

总结

综上所述，正确的用法是：

srand(time(0));
for(int i = 0; i < 10; i++)
{cout << rand() << endl;
}

而且，两次程序执行的时间间隔要大于1s，如果我们是要在某个类中定义随机数生成函数，那么可以将srand()放在构造函数中。