生成随机位 - C rand() 中缺乏随机性答案

【问题标题】：Generating a random bit - lack of randomness in C rand()生成随机位 - C rand() 中缺乏随机性
【发布时间】：2012-07-10 16:51:34
【问题描述】：

我正在使用rand() 生成 0 或 1 (rand() % 2)。我正在使用当前时间播种 (srand(time(NULL)))。

经过多次调试，我意识到rand() 永远不会连续 16 次或更多次返回偶数（奇数）数。

这是一个已知问题吗？有没有 C 自带的更好的 PRNG？

我正在使用 Visual Studio 2010 在 Windows 7 上运行。

【问题讨论】：

rand never returns an even (odd) number 16 or more times in a row - 嗯...你测试了多少次？少于2^16 次？
连续获得16个赔率的概率为(1/2)^16。这是相当低的......
大约十亿次，足以让 16 个偶数（奇数）大致出现 128 次（如果我的计算正确的话）。
在rand 的一些（旧）实现中，低位位的随机性低于高位位。试试(rand()>RAND_MAX/2?1:0)
模数偏差可能是个问题。见stackoverflow.com/a/10984975/562769

标签： c random

【解决方案1】：

不要使用rand()%2，而是尝试rand()>(RAND_MAX/2)。您只能假设 rand() 在区间 [0, RAND_MAX] 上是一致的。

编辑：这是 Shahbaz 在 cmets 中提出的，我是在发布此答案后才注意到的。

编辑： ArjunShankar 在我之前的措辞中叫我出来：“rand() 仅在区间 [0, RAND_MAX] 上被指定为统一的”

来自 C99 标准：

rand 函数计算范围为 0 到 0 的伪随机整数序列 RAND_MAX。

从技术上讲，没有指定均匀性（或等分布），但它是用于实现常用 PRNG（例如 Mersenne Twister）的事实上的标准。这是为了允许程序员轻松创建具有非均匀分布的自定义 PRNG。如果没有这个属性，程序员就不得不从头开始实现自定义 PRNG。

【讨论】：

"rand() 仅在区间 [0, RAND_MAX] 上被指定为统一的——Microsoft documentation for rand 没有说明统一性。还有其他来源吗？
好的，我也检查了 C99。不保证范围内的一致性。当然，这并不意味着您的解决方案不正确。这很可能实际上确实实现了 OP 正在测试的那种序列。
简洁的答案。 +1，因为我想让 OP 尝试一下。也因为rand 很便宜。

【解决方案2】：

我建议使用更好的 RNG。您在 Windows 上运行，因此您可以使用 rand_s：这是一个使用 Windows 加密 RNG 的 Microsoft 扩展。

【讨论】：

加密RNG 慢并且对于大多数应用程序来说确实过大了。它是加密的（与 pRNG 相比确实非常慢），因为这些位实际上是随机的，来自外部事件，而不是伪随机。这也使得调试变得更加困难。
@sfstewman 我建议权衡是由问题的作者评估和决定。
您的答案虽然可以解决 OP 的问题，但也会产生新的问题。加密 RNG 并不真正适合一次生成数十亿个随机位。这将因 OP 代码的模 2 丢弃所有对 rand_s 的调用中的一位以外的所有位而更加复杂。那是 31 或 63 位的纯熵消失了。您至少应该警告 OP 并建议他们可以使用 rand_s 中的每一位，而不仅仅是 LSB。

【解决方案3】：

rand() 是众所周知的烂。 random() 好一点（有时），但drand48() 及其家族要好得多。

如果您需要比这更好的方法，请查看 mersene twister 或其他 PRNG 库。或者查看 /dev/random 是否可以提供足够的数据来满足您的需求。

【讨论】：

谷歌搜索表明不是。 Windows 上还有其他可用的随机数生成函数，例如 CryptGenRandom，或者您可以使用外部库，例如 MT - math.sci.hiroshima-u.ac.jp/~m-mat/MT/emt.html
rand() 历来有问题。有关数学，请参阅 George Marsaglia 的 famous article。你的 C 库可能有也可能没有这个问题。对于任何需要严重随机性的东西，Mersenne Twister（链接由@evilotto 提供）或其他现代 pRNG 是最好的。

【解决方案4】：

嗯，您可以使用 Mersenne Twister 或 WELL 的算法。 WELL 的代码在这里（我没有足够的声誉） http://i.stack.imgur.com/q6VPL.png

【讨论】：