<random> 在 Linux 中生成相同的数字，但在 Windows 中不生成

Question

下面的代码旨在生成区间 [1,100] 中的五个伪随机数的列表。我用time(0) 为default_random_engine 播种，它在unix time 中返回系统时间。当我使用 Microsoft Visual Studio 2013 在 Windows 7 上编译和运行该程序时，它按预期工作（见下文）。但是，当我在 Arch Linux 中使用 g++ 编译器执行此操作时，它的行为很奇怪。

在 Linux 中，每次会生成 5 个数字。最后 4 个数字在每次执行时都会有所不同（通常情况如此），但第一个数字将保持不变。

在 Windows 和 Linux 上执行 5 次的示例输出：

      | Windows:       | Linux:        
---------------------------------------
Run 1 | 54,01,91,73,68 | 25,38,40,42,21
Run 2 | 46,24,16,93,82 | 25,78,66,80,81
Run 3 | 86,36,33,63,05 | 25,17,93,17,40
Run 4 | 75,79,66,23,84 | 25,70,95,01,54
Run 5 | 64,36,32,44,85 | 25,09,22,38,13

更神秘的是，第一个数字在 Linux 上会周期性地加一。得到上述输出后，我等了大约30分钟，再次尝试发现第一个数字变了，现在一直生成为26。它周期性地继续递增1，现在是32。似乎对应time(0) 的值变化。

为什么第一个数字在运行过程中很少改变，然后当它改变时，增加 1？

代码。它整齐地打印出 5 个数字和系统时间：

#include <iostream>
#include <random>
#include <time.h>

using namespace std;

int main()
{
    const int upper_bound = 100;
    const int lower_bound = 1;

    time_t system_time = time(0);    

    default_random_engine e(system_time);
    uniform_int_distribution<int> u(lower_bound, upper_bound);

    cout << '#' << '\t' << "system time" << endl
         << "-------------------" << endl;

    for (int counter = 1; counter <= 5; counter++)
    {
        int secret = u(e);
        cout << secret << '\t' << system_time << endl;
    }   

    system("pause");
    return 0;
}

Answer 1

std::default_random_engine 是实现定义的。请改用std::mt19937 或std::mt19937_64。

另外std::time和ctime函数不是很准确，改用<chrono>头中定义的类型：

#include <iostream>
#include <random>
#include <chrono>

int main()
{
    const int upper_bound = 100;
    const int lower_bound = 1;

    auto t = std::chrono::high_resolution_clock::now().time_since_epoch().count();

    std::mt19937 e;
    e.seed(static_cast<unsigned int>(t)); //Seed engine with timed value.
    std::uniform_int_distribution<int> u(lower_bound, upper_bound);

    std::cout << '#' << '\t' << "system time" << std::endl
    << "-------------------" << std::endl;

    for (int counter = 1; counter <= 5; counter++)
    {
        int secret = u(e);

        std::cout << secret << '\t' << t << std::endl;
    }   

    system("pause");
    return 0;
}

Answer 2

这是怎么回事：

• libstdc++（GCC 的标准库）中的default_random_engine 是minstd_rand0，这是一个简单的线性同余引擎：

  typedef linear_congruential_engine<uint_fast32_t, 16807, 0, 2147483647> minstd_rand0;
  

• 这个引擎生成随机数的方式是 x_i+1 = (16807x_i + 0) mod 2147483647。

• 因此，如果种子相差 1，那么大多数时候第一个生成的数字将相差 16807。

• 这个生成器的范围是 [1, 2147483646]。 libstdc++ 的uniform_int_distribution 将其映射到[1, 100] 范围内的整数的方式本质上是这样的：生成一个数字n。如果数量不大于2147483600，则返回(n - 1) / 21474836 + 1；否则，请使用新号码重试。

  应该很容易看出，在绝大多数情况下，两个仅相差 16807 的 ns 在此过程下会在 [1, 100] 中产生相同的数字。事实上，人们预计生成的数字大约每 21474836 / 16807 = 1278 秒或 21.3 分钟增加一，这与您的观察非常吻合。

MSVC的default_random_engine是mt19937，不存在这个问题。

Answer 3

在Linux中，随机函数不是概率意义上的随机函数，而是伪随机数生成器。 它用种子腌制，基于该种子，产生的数字是伪随机且均匀分布的。 Linux 方式的优势在于，在使用来自群体的信息设计某些实验时，可以测量已知调整输入信息的实验的重复性。当最终程序准备好进行实际测试时，可以通过要求用户移动鼠标、将鼠标移动与一些击键混合并添加自开始以来的微秒计数来创建盐（种子）最后一次开机。

Windows 随机数种子是从鼠标、键盘、网络和时间数字的集合中获得的。这是不可重复的。但是这个盐值可能会被重置为一个已知的种子，如果如上所述，一个人参与了实验的设计。

哦，是的，Linux 有两个随机数生成器。一种，默认是模32bits，另一种是模64bits。您的选择取决于您希望在测试或实际使用中消耗的准确度需求和计算时间。