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C++實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)生成的現(xiàn)代化封裝

更新時(shí)間：2024年11月18日 08:56:35 作者：T0uken

在現(xiàn)代?C++?中,隨機(jī)數(shù)生成是許多程序設(shè)計(jì)中不可或缺的部分,例如游戲開發(fā)、算法設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)模擬等,本文將以一個(gè)封裝好的隨機(jī)工具類?Random?為例,深入剖析其功能的實(shí)現(xiàn)與使用,并引入相關(guān)知識,幫助讀者觸類旁通,掌握?C++?隨機(jī)數(shù)的核心技巧

背景知識

隨機(jī)數(shù)的生成

C++ 的標(biāo)準(zhǔn)庫提供了一套強(qiáng)大且靈活的隨機(jī)數(shù)工具，主要通過以下幾部分組成：

隨機(jī)數(shù)引擎：例如 std::mt19937，生成偽隨機(jī)數(shù)序列。
分布：例如 std::uniform_int_distribution，對隨機(jī)數(shù)進(jìn)行分布轉(zhuǎn)換。
隨機(jī)數(shù)種子：用于初始化隨機(jī)數(shù)引擎，保證隨機(jī)性。

類的設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)一個(gè)通用的隨機(jī)工具類時(shí)，我們可以封裝常見的隨機(jī)操作，例如：

生成指定范圍內(nèi)的整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。
按概率生成布爾值。
對容器進(jìn)行隨機(jī)打亂。

類定義與功能分解

以下是 Random 類的完整定義：

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

struct Random {
    std::mt19937 rnd;

    Random()
        : rnd(std::chrono::steady_clock::now().time_since_epoch().count()) {}
    
    void setSeed(unsigned int seed) {  
        rnd.seed(seed);  
    }

    int operator()(int l, int r) {
        return std::uniform_int_distribution(l, r)(rnd);
    }

    double operator()(double l, double r) {
        return std::uniform_real_distribution(l, r)(rnd);
    }

    bool operator()(double p) {
        return std::bernoulli_distribution(p)(rnd);
    }

    template<typename T>
    void operator()(std::vector<T>& vec) {  
        std::shuffle(vec.begin(), vec.end(), rnd);  
    }
};

下面，我們逐一拆解并講解其核心部分。

隨機(jī)數(shù)引擎的初始化

Random()
    : rnd(std::chrono::steady_clock::now().time_since_epoch().count()) {}

std::mt19937：
std::mt19937 是一種基于梅森旋轉(zhuǎn)算法的偽隨機(jī)數(shù)生成器，具有較好的性能和隨機(jī)性。其名字來源于生成 19937 位的周期序列。
初始化種子：
- 默認(rèn)使用當(dāng)前時(shí)間戳（以納秒為單位）作為種子。
- 時(shí)間戳通過 std::chrono::steady_clock 獲取，保證種子不同步。

設(shè)置隨機(jī)數(shù)種子

void setSeed(unsigned int seed) {  
    rnd.seed(seed);  
}

種子控制隨機(jī)性：
- 給定相同的種子，隨機(jī)數(shù)生成序列是確定的。
- 這種特性非常適合調(diào)試和可復(fù)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

生成隨機(jī)整數(shù)

int operator()(int l, int r) {
    return std::uniform_int_distribution(l, r)(rnd);
}

std::uniform_int_distribution：
- 用于生成均勻分布的整數(shù)。
- 構(gòu)造函數(shù)參數(shù)為上下界 [l, r]。
調(diào)用方式：
分布對象 dist 是一個(gè)可調(diào)用對象。通過傳入隨機(jī)引擎 rnd，即可生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)。

示例：

Random random;
int number = random(1, 10); // 生成 [1, 10] 范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)

生成隨機(jī)浮點(diǎn)數(shù)

double operator()(double l, double r) {
    return std::uniform_real_distribution(l, r)(rnd);
}

std::uniform_real_distribution：
- 用于生成均勻分布的浮點(diǎn)數(shù)。
- 構(gòu)造函數(shù)參數(shù)為上下界 [l, r)，即下界閉、上界開。

示例：

Random random;
double value = random(0.0, 1.0); // 生成 [0.0, 1.0) 范圍內(nèi)的隨機(jī)浮點(diǎn)數(shù)

按概率生成布爾值

bool operator()(double p) {
    return std::bernoulli_distribution(p)(rnd);
}

std::bernoulli_distribution：
- 按照給定的概率 p 返回 true 或 false。
- 構(gòu)造函數(shù)參數(shù) p 表示返回 true 的概率，范圍為 [0, 1]。

示例：

Random random;
bool result = random(0.7); // 70% 概率返回 true，30% 概率返回 false

隨機(jī)打亂容器

template<typename T>
void operator()(std::vector<T>& vec) {  
    std::shuffle(vec.begin(), vec.end(), rnd);  
}

std::shuffle：
- 對容器元素進(jìn)行隨機(jī)排列。
- 使用 rnd 引擎，確保偽隨機(jī)性。
模板設(shè)計(jì)：
允許對任何 std::vector<T> 類型的容器進(jìn)行操作。

示例：

Random random;
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
random(vec); // 隨機(jī)打亂 vec

使用場景

隨機(jī)分配任務(wù)

假設(shè)有 10 個(gè)任務(wù)需要隨機(jī)分配給 3 名員工：

Random random;
std::vector<int> tasks = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
random(tasks);

for (int i = 0; i < tasks.size(); ++i) {
    std::cout << "Task " << tasks[i] << " -> Employee " << random(1, 3) << "\n";
}

模擬拋硬幣

Random random;
int heads = 0, tails = 0;

for (int i = 0; i < 100; ++i) {
    if (random(0.5)) {
        ++heads; // 正面
    } else {
        ++tails; // 反面
    }
}

std::cout << "Heads: " << heads << ", Tails: " << tails << "\n";

小結(jié)

通過本文的剖析，我們從以下幾個(gè)方面深入了解了 Random 類的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：

使用 std::mt19937 隨機(jī)數(shù)引擎生成高質(zhì)量偽隨機(jī)數(shù)。
利用 C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫中的分布對象生成特定范圍或分布的隨機(jī)數(shù)。
封裝常用隨機(jī)功能，提高代碼的可讀性和復(fù)用性。

到此這篇關(guān)于C++實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)生成的現(xiàn)代化封裝的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++隨機(jī)數(shù)現(xiàn)代化封裝內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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