PHP 7.1+ 中的 PHP Shuffle 产生不同的结果

Question

我使用 shuffle() 函数来模拟文字游戏中的信袋。

我最近从 PHP 5 升级到 PHP 7，并发现在较新的版本上，shuffle 功能对我的目的不太好。

我过去常常从成群的字母开始，它会很好地把它们打乱，所以有一个体面但不可预测的字母顺序。在 7.1+ 上，它经常产生相同字母的块，而在 5.x 上很少得到这些块

我看到他们在 7.1 中更改了内部算法。

有没有什么方法可以模仿旧的 shuffle 工作方式，以便产生更接近 PHP 5 中的结果？

Answer 1

什么是随机性？

计算机与人类大脑的共同点是它们非常不擅长随机化。

如果没有一些外部输入（掷骰子、测量放射性衰变、收听未调谐的收音机，staring at lava lamps），您实际上无法写下一组产生随机性的步骤。您所能做的就是制作一个看起来随机的实际可预测的序列。不幸的是，很容易欺骗人脑，让其认为某些东西是随机的，或者发现没有的模式，因此在设计这种“伪随机性”时必须非常小心。

人类大脑如何感知随机性的一个相关示例是，如果一个房间里只有 23 个人，那么其中两个人生日相同的可能性为 50%。这太令人惊讶了，它通常被称为“birthday paradox”，尽管它在数学上非常简单。你的文字游戏中的字母簇非常相似。

发生了什么变化？

长期以来，PHP 有两种不同的“伪随机数生成器”：

• 一种依赖于系统的算法，以rand() 的形式向用户公开，存在很多问题。
• 一种叫做“Mersenne Twister”的东西，以mt_rand() 的形式向用户公开，总体来说在所有方面都更好。

在 PHP 7.1 中，a series of changes were made 基本消除了rand() 版本，并在各处使用 Mersenne Twister 算法。这包括shuffle。

算法的其余部分都没有改变：总是打算将元素按随机顺序排列，而不管它们的起始位置如何，所以你通过聚集起始位置来影响它的能力是错误，不是功能。

不同版本中随机播放的随机性如何？

我写了一个quick script 来测试shuffle 是否有任何偏见：

1. 生成一个包含 100 个项目的数组，从 0 到 99
2. 随机播放
3. 标记每个元素的新位置
4. 重复很多次

结果是一个 100 x 100 的网格，显示例如元素 0 在位置 42 结束的频率。

如果洗牌是真正随机的，我们应该期望，当我们重复洗牌足够多次时，每个元素都会以同样的频率出现在每个位置。换句话说，我们的网格对于每个组合都应该具有相同的计数。

我在 PHP 7.0（当 shuffle() 使用旧的 rand() 实现时）和 7.1（当它使用 mt_rand() 实现时）运行相同的代码并可视化结果（脚本还包括 in the gist）。图像的列表示数组中的 100 个元素，行表示它们最终可能出现的不同位置。蓝色像素表示发生频率低于预期的组合，红色像素表示发生频率高于预期的组合。

对于 PHP 7.1，图像看起来大部分是黑色的，因为所有组合中的数字非常接近完全相等：

然而，对于 PHP 7.0，有一些非常明显的“热”和“冷”区域！

因此，在旧算法中，某些交换发生的可能性要小得多。这些偏差可能恰好与您放置物品的顺序相吻合，从而降低了某些字母在游戏中特定时间出现的可能性。

如果你想调整你的随机播放怎么办？

新算法应该更准确地反映真实游戏中会发生的情况 - 所有字母在游戏中的任何时候出现的机会均等。

但也许您发现“操纵”订单更有趣，这样您就不会连续多次收到相同的字母，或者您可能会混合使用辅音和元音。

您可以通过重新实现随机播放算法，然后调整某些事情发生的概率来实现。

算法的核心是这样的（基本上7.1中改变的是RAND_RANGE的定义）：

while (--n_left) {
    RAND_RANGE(rnd_idx, 0, n_left, PHP_RAND_MAX);
    if (rnd_idx != n_left) {
        temp = hash->arData[n_left];
        hash->arData[n_left] = hash->arData[rnd_idx];
        hash->arData[rnd_idx] = temp;
    }
}

正如您所期望的那样，这会一个接一个地随机选择项目（但从最后一个到第一个，因为它恰好更容易），但是为了节省每次“删除”一个项目时重新分配数组，它使用了一个巧妙的技巧：它交换数组的当前元素与数组中较早的随机元素。

在 PHP 代码中，它看起来像这样（未经测试！）：

$n_left = count($array);
while (--$n_left) {
    $rnd_idx = mt_rand(0, $n_left);
    // The if statement is just skipping the swap if our random choice is for it to stay where it is
    if ($rnd_idx != $n_left) {
        $temp = $array[$n_left];
        $array[$n_left] = $array[$rnd_idx];
        $array[$rnd_idx] = $temp;
    }
}

要为此添加偏见，您只需更改选择$rnd_idx 的方式。例如，您可以说如果选择的字母 ($array[$rnd_idx]) 与之前选择的字母相同，请再次选择。你可以有一个完整的函数来决定它有多“好”，并以这种方式引入偏见。

由于“有趣”是主观的，无法通过数学定义，因此您只需测试一堆东西，看看您喜欢哪个结果。

Answer 2

您可以使用适合加密使用的random_int 函数。 然后你可以使用 Fisher-Yates (aka Knuth) Shuffle 算法的实现：

function shuffle($array) {
    $random_array = array();
    $countArray = count($array) - 1;

    while (count($array) != 0) {
        $randomValue = random_int(0, $countArray);
        $random_array[] = $array[$randomValue];

        if(($randomValue + 1) == count($array)) {
            array_splice($array, $randomValue, ($randomValue - $countArray + 1));
        } else {
            array_splice($array, $randomValue, ($randomValue - $countArray));
        }

        $countArray--;
    }

    return $random_array;
}