使用 TR1 /dev/random 在 C++ 中生成随机数（可恢复到 <1 秒的运行）

Question

我想以不使用标准 rand() 和 srand(time(NULL)) 方法的方式在 C++ 中生成介于 0 和 1 之间的统一随机数。这样做的原因是，如果我在时钟的同一秒内多次运行应用程序，种子将完全相同并产生相同的输出。

我不想依赖 boost 或操作系统/编译器的细节。可以假设为 x86。

似乎另一种方法是使用 TR1（我没有 C++11）并以某种方式使用 /dev/random 播种？

现在我有这个，但它仍然使用 time(NULL) 作为种子，在 1 秒内无法正常运行：

#include <iostream> 
#include <tr1/random> 

int main() 
{ 
  std::tr1::mt19937 eng; 
  eng.seed(time(NULL)); 
  std::tr1::uniform_int<int> unif(1, RAND_MAX); 
  int u = unif(eng); 
  std::cout << (float)u/RAND_MAX << std::endl; 
} 

Answer 1

您的问题与您播种随机数生成器的方式有关。显然，使用 time(NULL) 播种将在播种后的那一秒内产生相同的 PRNG 序列。这是播种 rand 的最常见方法，但不幸的是，由于这个问题，这是一种不好的做法。不仅如此，我还读到它会导致结果出现偏差。

请注意，如果使用相同的值播种，每个 PRNG 都会产生相同的结果。因此，您的问题与生成器无关，而与播种有关。

几周前我在这里问了一个关于播种的问题，并获得了指向以下文章的链接，您可能会发现它也很有用。 Good Practice in (Pseudo) Random Number Generation for Bioinformatics Applications 请参阅有关播种或预热生成器的部分。

rand() 不是最好的随机数生成器，但在许多情况下都适用，前提是它已正确播种。如果您想要重复序列非常大的更好的东西，那么该链接中提供了一些。或者使用基于 TR1 的。就个人而言，我会使用更可移植的基于 C++03 的代码并避开 TR1。

还可以考虑将Multiply with carry 作为替代 PRNG 算法。

Answer 2

应 OP 的要求发布：

这在某种程度上仍然是特定于编译器的，但仍然适用于几乎所有面向 x86 的编译器：

#ifdef _WIN32

//  Windows
#define rdtsc  __rdtsc

#else

//  For everything else
unsigned long long rdtsc(){
    unsigned int lo,hi;
    __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));
    return ((unsigned long long)hi << 32) | lo;
}

#endif

int main() 
{ 
  std::tr1::mt19937 eng; 
  eng.seed( rdtsc() );    //  Seed with rdtsc.
  std::tr1::uniform_int<int> unif(1, RAND_MAX); 
  int u = unif(eng); 
  std::cout << (float)u/RAND_MAX << std::endl; 
} 

这里的想法是使用rdtsc 循环计数器为您的随机数生成器播种。

之所以可行，是因为rdtsc 循环计数器的迭代速度与 CPU 频率大致相同（通常相同）。因此，两次调用它返回相同值的可能性非常小 - 因此，它成为 RNG 的极好种子。

Answer 3

[tr.rand.device] 中的 TR1 指定了一个 random_device 类，该类从依赖于实现的源生成无符号整数。所以以下应该可以工作，虽然我自己没有编译它：

int main() {
  std::tr1::random_device dev_random;
  std::tr1::mt19937 eng(dev_random());
  ...

在 TR1 中，直接传递 dev_random 而不调用它可以更随机地初始化 eng 的状态，但在 C++11 中，您必须将种子参数包装到另一个类中。由于调用参数在两个库中都有效，所以我会这样做是为了可维护性，除非您有更苛刻的需求。