c:使用 PCG 实现生成随机数

Question

我正在尝试在 c 中实现 PCG 随机数生成器。因为我是 c 的初学者，所以我很难理解这些例子。到目前为止，我尝试实现可以​​找到的最小版本 here .

这是我的代码，现在可以生成一些(希望如此)伪随机数:

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <time.h>
#include <string.h>
#include <math.h>

#include "pcg_basic.h"

int main(int argc, char** argv){
    pcg32_random_t rngptr;
    pcg32_srandom_r(&rngptr, time(NULL), (intptr_t)&rngptr);

    for (int round = 1; round <= 10; ++round) {
        printf(" %f\n", ldexp(pcg32_random_r(&rngptr) ,-32));
    }

    return 0;
}

这甚至是一个好的实现还是可以更好地改进？

问题:我想在我的代码中到处使用随机数，而不仅仅是在 main() 函数中。我怎样才能做到这一点？我试过:

double myrand(){
        pcg32_random_t rngptr;
        pcg32_srandom_r(&rngptr, time(NULL), (intptr_t)&rngptr);
        return ldexp(pcg32_random_r(&rngptr) ,-32);
}

但是，这种方法行不通，对我来说似乎是错误的。但我不知道如何做得更好。

谁能告诉我一个简单的方法来在 c 语言中获得良好的伪随机数，该方法适用于代码的每个部分？

Answer 1

在不知道您使用的实现的情况下，查看这些行:

double myrand(){
        pcg32_random_t rngptr;
        pcg32_srandom_r(&rngptr, time(NULL), (intptr_t)&rngptr);
        return ldexp(pcg32_random_r(&rngptr) ,-32);
}

第二行种子随机数生成器。在每次调用时都这样做会使实际的 PRNG 无效。

每个 PRNG 的工作原理都是保存一些内部状态，并使用一些或多或少复杂的算术运算从前一个状态计算下一个状态。然后将部分内部状态作为下一个“随机”数返回。

由于内部状态必须从某处开始，所以您必须播种每个 PRNG 恰好一次(并使用类似time () 对于它，每次运行都从不同的地方开始。

此代码的一个简单版本可能如下所示:

double myrand(){
    static int initialized = 0;
    static pcg32_random_t rngptr;
    if (!initialized)
    {
        pcg32_srandom_r(&rngptr, time(NULL), (intptr_t)&rngptr);
        initialized = 1;
    }
    return ldexp(pcg32_random_r(&rngptr) ,-32);
}

这不再是线程安全的，因为整个程序中只有一个 PRNG 实例(由 pcg32_random_t 变量表示)。

另一种方法是使您的函数实际上采用指向您的 PRNG 的指针并在外部某处管理创建和播种(例如，一次在 main() 中):

double myrand(pcg32_random_t *rngptr){
    return ldexp(pcg32_random_r(rngptr) ,-32);
}


int main(void)
{
    // do this once:
    pcg32_random_t rngptr;
    pcg32_srandom_r(&rngptr, time(NULL), (intptr_t)&rngptr);

    // [...]

    double x = myrand(&rngptr);
}

---

基本相同的事情适用于 C 标准函数 srand() 和 rand():您必须恰好调用一次 srand()用于播种 PRNG。使用这些函数，内部状态是static(在 C 标准库中)，因此您不必传递任何内容，并且使用这些函数不是线程安全的。

这是一个非常简单和愚蠢的标准 C rand() 示例实现，用于 0x7fffffff 的 RAND_MAX >，这可能有助于更好地理解 PRNG 的一般概念:

static unsigned long long int randval = 1;

void srand(unsigned int seed)
{
    randval = seed;
}

int rand(void)
{
    randval *= 1103515245;
    randval += 12345;
    return (int)((randval / 65536) & 0x7fffffff);
}

如您所见，randval 是保密的，但调用 srand() 会设置它，因此会影响下一次调用 rand() 的结果。