C语言的随机数函数和静态变量

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ANSI-C库提供了rand()函数生成随机数。生成随机数有多种算法，ANSI-C允许C实现针对特定机器使用最佳算法。然而，ANSI-C标准还提供了一个可移植的标准算法，在不同系统中生成相同的随机数。

实际上，rand()是“伪随机数生成器”，意思是可预测生成数字的实际序列。但是，数字在其取值范围内均匀分布。为了看清楚程序内部的情况，我们使用可移植的ANSI版本，而不是编译器内置的rand()函数。可移植版本的方案开始于一个“种子”数字。该函数使用该种子生成新的数，这个新数又成为新的种子。然后，新种子可用于生成更新的种子，以此类推。该方案要行之有效，随机数函数必须记录它上一次被调用时所使用的种子。这里需要一个静态变量。程序rand0.c 演示了版本0（稍后给出版本1）。

/* rand0.c -- produces random numbers */ /* uses ANSI C portable algorithm */ static unsigned long int next = 1; /* the seed */ int rand0(void) { /* magic formula to generate pseudorandom number */ next = next *  + 12345; return (unsigned int) (next/65536) % 32768; }

在上述程序中，静态变量next的初始值是1，其值在每次调用rand0()函数时都会被修改（通过魔术公式）。该函数是用于返回一个0～32767之间的值。注意，next是具有内部链接的静态变量（并非无链接）。这是为了方便稍后扩展本例，供同一个文件中的其他函数共享。

程序r_drive0.c是测试rand0()函数的一个简单的驱动程序。

/* r_drive0.c -- test the rand0() function */ /* compile with rand0.c */ #include <stdio.h> extern int rand0(void); int main(void) { int count; for (count = 0; count < 5; count++) printf("%dn", rand0()); return 0; }

该程序也需要多文件编译。程序r_drive0.c和程序r_drive0.c分别使用一个文件。以上程序中的extern关键字提醒读者rand0()被定义在其他文件中，在这个文件中不要求写出该函数定义。输出如下：

16838 5758 10113 17515 31051

程序输出的数字看上去是随机的，再次运行程序后，输出如下：

16838 5758 10113 17515 31051

看来，这两次的输出完全相同，这体现了“伪随机”的一个方面。每次主程序运行，都开始于相同的种子1。可以引入另一个函数srand1()重置种子来解决这个问题。关键是要让next成为只供rand1()和srand1()访问的内部链接静态变量（srand1()相当于C库中的srand()函数）。把srand1()加入rand1()所在的文件中。程序s_and_r.c给出了修改后的文件。

/* s_and_r.c -- file for rand1() and srand1() */ /* uses ANSI C portable algorithm */ static unsigned long int next = 1; /* the seed */ int rand1(void) { /* magic formula to generate pseudorandom number */ next = next *  + 12345; return (unsigned int) (next/65536) % 32768; } void srand1(unsigned int seed) { next = seed; }

注意，next是具有内部链接的文件作用域静态变量。这意味着rand1()和srand1()都可以使用它，但是其他文件中的函数无法访问它。使用程序with s_and_r.c的驱动程序测试这两个函数。

/* r_drive1.c -- test rand1() and srand1() */ /* compile with s_and_r.c */ #include <stdio.h> extern void srand1(unsigned int x); extern int rand1(void); int main(void) { int count; unsigned seed; printf("Please enter your choice for seed.n"); while (scanf("%u", &seed) == 1) { srand1(seed); /* reset seed */ for (count = 0; count < 5; count++) printf("%dn", rand1()); printf("Please enter next seed (q to quit):n"); } printf("Donen"); return 0; }

编译两个文件，运行该程序后，其输出如下：

Please enter your choice for seed.

1

16838

5758

10113

17515

31051

Please enter next seed (q to quit):

513

20067

23475

8955

20841

15324

Please enter next seed (q to quit):

q

Done

设置seed的值为1，输出的结果与前面程序相同。但是设置seed的值为513后就得到了新的结果。

可以把这个技巧应用于标准的ANSI-C函数srand()和rand()中。如果使用这些函数，要在文件中包含stdlib.c头文件。实际上，既然已经明白了srand1()和rand1()如何使用内部链接的静态变量，你也可以使用编译器提供的版本。我们将在下一个示例中这样做。

自动重置种子

如果C实现允许访问一些可变的量（如，时钟系统），可以用这些值（可能会被截断）初始化种子值。例如，ANSI C有一个time()函数返回系统时间。虽然时间单元因系统而异，但是重点是该返回值是一个可进行运算的类型，而且其值随着时间变化而变化。time()返回值的类型名是time_t，具体类型与系统有关。这没关系，我们可以使用强制类型转换：

#include <time.h> /* ANSI prototype for time() */ srand1((unsigned int) time(0)); /* initialize seed */

一般而言，time()接受的参数是一个time_t类型对象的地址，而时间值就存储在传入的地址上。当然，也可以传入空指针（0）作为参数，这种情况下，只能通过返回值机制来提供值。