Случайные числа в языке C

Функции rand и srand

В языках программирования обычно предусмотрены функции, позволяющие генерировать случайные числа в определенном по умолчанию диапазоне. На самом деле генерируются не случайные, а так называемые псевдослучайные числа; они выглядят случайно, но вычисляются по вполне конкретной формуле. Далее для простоты мы все равно будем называть их случайными.

В языке программирования C получить случайное число можно с помощью функции rand(), которая входит в стандартную библиотеку языка. Эта функция не принимает никакие параметры.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main() {
    int a = rand();
 
    printf("%d\n", a);
}

Функция rand() возвращает целое число от 0 до значения присвоенного константе RAND_MAX. Значение RAND_MAX зависит от системы и определено в заголовочном файле stdlib.h. Так, например, оно может быть равно 32767 (двухбайтовое целое) или 2147483647 (четырехбайтовое целое).

int a = RAND_MAX;
printf("%d\n", a);  // 2147483647

Код ниже выводит на экран 50 случайных чисел:

for (int i = 1; i <= 50; i++) {
    printf("%15d", rand());
    if (i % 5 == 0)
        printf("\n");
}

В теле цикла осуществляется переход на новую строку после каждых выведенных на экран пяти чисел. Для этого используется выражение, в котором находится остаток от деления i на 5, результат сравнивается с 0. Чтобы после первого числа не происходил переход на новую строку, i сначала присваивается единица, а не ноль (т.к. 0 делится на 5 без остатка).

При выполнении программы с таким кодом пятьдесят чисел будут разными. Однако если запустить программу снова, набор чисел окажется такими же, как в предыдущем выполнении. Даже если вы перекомпилируете программу, результат не изменится. Данный эффект связан с тем, что начальное (инициализирующее) число, которое подставляется в формулу вычисления первого и последующих псевдослучайных чисел, для каждой системы всегда одно и то же. Однако это начальное число можно изменить с помощью функции srand(), которой в качестве параметра передается любое целое число. Понятно, что если вы зададите конкретный аргумент для функции, например, srand(1000), то от вызова к вызову программы числа будут также одни и те же. Хотя и не те, что были бы без srand(). Поэтому появляется проблема, как сделать так, чтобы аргумент для srand() был тоже случайным? Получается замкнутый круг.

Инициирующее значение можно запрашивать у пользователя с помощью scanf() и передавать его в srand().

scanf("%d", &n);
srand(n);

Однако чаще всего это не является полноценным выходом из ситуации. Поэтому инициализирующее значение привязывают к какому-либо процессу, протекающему в операционной системе, например, к часам. Время (учитывая не только время суток, но и дату) никогда не бывает одинаковым. Значит значение для srand(), преобразованное в целое из системного времени, будет различным.

Текущее время можно узнать с помощью функции time(), прототип которой описан в файле time.h. Передав time() в качестве параметра NULL, мы получим целое число, которое можно передать в srand():

srand(time(NULL));

Получение целых случайных чисел в заданных диапазонах

Функция rand() выдает случайное число от 0 до значения RAND_MAX. Что делать, если требуется получать случайные числа в иных диапазонах, например, от 100 до 999?

Сначала рассмотрим более простую ситуацию: получить случайные числа от 0 до 5. Если любое целое число попытаться разделить на 5 нацело, то в качестве остатка можно получить как 0 (когда число делится на 5 без остатка), так и 1, 2, 3, 4. Например, rand() вернула число 283. Применяя к этому числу операцию нахождения остатка от деления на 5, получим 3. Т.е. выражение rand() % 5 дает любое число в диапазоне [0, 5).

Однако, что если надо, чтобы число 5 так же входило в диапазон, т.е. диапазон имеет вид [0, 5]? Логично предположить, что следует найти остаток от деления на 6. При этом более грамотным будет следующее рассуждение: надо находить остаток от деления на размер диапазона. В данном случае он равен шести значениям: 0, 1, 2, 3, 4, 5. Чтобы найти размер диапазона, надо из допустимого максимума вычесть допустимый минимум и прибавить единицу: max - min + 1. Будьте внимательны: если, например, требуется, чтобы указанный в задаче максимум не входил в диапазон, то единицу прибавлять не надо или надо вычитать единицу из максимума.

Следующее выражение выведет на экране случайное число от 0 до 99 включительно:

printf("%d\n", rand() % 100);

Итак, мы знаем формулу получения длины диапазона: max - min + 1. Если требуется получить число от 6 до 10 включительно, то длина диапазона будет равна 10 - 6 + 1 = 5. Выражение rand()% 5 даст любое число от 0 до 4 включительно. Но нам надо от 6 до 10. В таком случае достаточно к полученному случайному остатку прибавить 6, т.е. минимум. Другими словами, надо выполнить сдвиг. Действительно, для приведенного примера:

• если остаток был равен 0, то добавляя 6, получаем 6;
• остаток 1, добавляем 6, получаем 7;
• …
• остаток 4, прибавляем 6, получаем 10;
• остатка больше 4 не может быть.

В таком случае формула для получения случайного числа в диапазоне [a, b] выглядит так:

rand() % длина_диапазона + сдвиг

где длина_диапазона вычисляется как b - a + 1, сдвиг является значением a.

В эту формулу также вписываются случаи, когда необходимо получить случайное число от 0 до N, т.е. они являются ее частными случаями.

С таким же успехом можно получать случайные отрицательные числа. Если диапазон задан как [-35, -1], то его длина будет равна -1 - (-35) + 1 = 35, что соответствует действительности; выражение получения случайного числа будет выглядеть так:

rand() % 35 - 35 

Так, если остаток от деления составил 0, то мы получим -35, а если 34, то -1. Остальные остатки дадут значения в промежутке от -35 до -1.

Получение вещественных случайных чисел

Ситуация с вещественными числами выглядит несколько по-иному. Во-первых, мы не можем получить остаток от деления, если делимое или делитель дробные числа. Во вторых при вычислении длины диапазона нельзя прибавлять единицу.

Поясним вторую причину. Допустим диапазон задан как [2.50, 5.30]. Он состоит не из определенного количества чисел (как в случае целых), а из неопределенного (можно сказать, бесконечного) числа значений, т.к. вещественные числа можно представлять с различной степенью точности. Позже выполняя округление все равно будет шанс получить максимальную границу диапазона, поэтому для вычисления длины диапазона достаточно из максимума вычесть минимум.

Если разделить случайное число, преобразованное к вещественному типу, которое выдала функция rand(), на значение константы RAND_MAX, то получится вещественное случайное число от 0 до 1. Теперь, если это число умножить на длину диапазона, то получится число, лежащее в диапазоне от 0 до значения длины диапазона. Далее если прибавить к нему смещение к минимальной границе, то число благополучно впишется в требуемый диапазон. Таким образом формула для получения случайного вещественного числа выглядит так:

(float) rand() / RAND_MAX * (max - min) + min

Равновероятные случайные числа

Функция rand() генерирует любое случайное число от 0 до RAND_MAX с равной долей вероятности. Другими словами, у числа 100 есть такой же шанс выпасть, как и у числа 25876.

Чтобы доказать это, напишем программу, подсчитывающую количество выпадений каждого из значений. Если выборка (количество "испытуемых") будет достаточно большой, а диапазон (разброс значений) маленьким, то мы должны увидеть, что процент выпадений того или иного значения приблизительно такой же как у других.

#include <stdio.h>
#include <time.h>
 
#define N 500
 
int main () {
    int i;
    int arr[5] = {0};
 
    srand(time(NULL));
 
    for (i=0; i < N; i++)
        switch (rand() % 5) {
            case 0: arr[0]++; break;
            case 1: arr[1]++; break;
            case 2: arr[2]++; break;
            case 3: arr[3]++; break;
            case 4: arr[4]++; break;
    }
 
    for (i=0; i < 5; i++)
        printf("%d - %.2f%%\n", i,
              ((float) arr[i] / N) * 100);
}

В приведенной программе массив из пяти элементов сначала заполняется нулями. Случайные числа генерируются от 0 до 4 включительно. Если выпадает число 0, то увеличивается значение первого элемента массива, если число 1, то второго, и т.д. В конце на экран выводится процент выпадения каждого из чисел.

Чем больше значение константы N, тем меньше будут отличаться между собой проценты выпадения каждого из чисел.

Курс с решением задач в PDF