C 语言连续生成多个随机数

作者：张裕鹏 日期：2021-6-26

在 C 语言中，我们一般使用 头文件中 rand() 函数来生成随机数。但是存在一个问题，那就是每次生成的随机数都一样：

int main()
{
    printf("rand [%d]\n", rand());
    return 0;
}

结果：

随机数的本质

多次运行上面的代码，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：

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。

获取系统时间

这边穿插讲一下，如何获取系统的时间，通常情况下，如果只是想获取秒级的时间单位可以使用 Linux 系统下的 time() 函数，具体的使用可以参考：Linux time()函数解析。

生成连续随机数

有了时间函数作为种子，那就可以生成连续的随机数了。
注意，如果需要每次生成的随机数都不相同，那一定要有不同的种子（不同的时间）
但是我们在开发的时候通常会遗忘这个情况，比如下面的代码（我们通过在代码中连续两次调用 srand(time(0)) 来模仿这种情形）

int main()
{
    srand(time(0));
    for(int i=0; i<10; i++){    
        printf("[%d]\n",rand());
    }
    printf("--------------\n");
    srand(time(0));
    for(int i=0; i<10; i++){    
        printf("[%d]\n",rand());
    }
    return 0;
}

运行结果：

从结果可以看出来，两次的得到随机数是相同的。主要是因为，整个程序运行非常快，在不到一秒的时间内就跑完了，所以两次的 time(0) 获取到的时间是一样的，因此随机数也就相同。

如果代码这样修改，就可以避免这种问题

int main()
{
    srand(time(0));
    for(int i=0; i<10; i++){    
        printf("[%d]\n",rand());
    }
    sleep(1);

    printf("--------------\n");
    srand(time(0));
    for(int i=0; i<10; i++){    
        printf("[%d]\n",rand());
    }
    return 0;
}

运行结果：

通过一个睡眠时间可以确保两次获取的时间不一致，这样就能生成不会重复的随机数了。

但是又可能会有人说，每次运行这个函数都睡眠 1 秒，那效率也太低了。有没有更好的办法呢？
解决办法其实也很简单，将种子的时间换成毫秒时间，然后睡眠时间改成 1 毫秒，那就 ok 了。如果有更苛刻的要求，甚至可以试试微秒。但是一般情况下，毫秒就足以满足条件。下面来介绍一下，如果获取 Linux 系统下的毫秒时间。

获取毫秒时间

unsigned long get_time_ms()
{
    struct timespec time1 = {0, 0};
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &time1);
    return 1000*time1.tv_sec + time1.tv_nsec/1000000;
}

关于 clock_gettime() 函数的使用，可以参考：linux 下的clock_gettime() 获取时间函数。

int main()
{
    srand(get_time_ms());
    for(int i=0; i<10; i++){    
        printf("[%d]\n",rand());
    }
    msleep(1);

    printf("--------------\n");
    srand(get_time_ms());
    for(int i=0; i<10; i++){    
        printf("[%d]\n",rand());
    }
    return 0;
}

运行结果：

这样就可以最大限度的避免，由于睡眠导致的系统性能异常的问题了。至于上述代码中用到的 msleep() 函数，这是自己实现的微秒睡眠函数，其代码可以参考我的另一篇文章：Linux 下常见的休眠函数。