【C++】详解用标准库的std::mt19937生成随机数

2023年8月16日，周三晚上

写了1个半小时

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目录

• 概述
• 英文文档
• 什么是mt19937
• 什么是状态大小
• 头文件
• std::mt19937的常用成员函数
• 1. 构造函数：
• 2. 种子操作函数：
• 3. 随机数生成函数：
• 4. 辅助函数：
• 生成种子值
• 方法1：使用std::random_device
• 方法2：使用时间戳
• 举例说明

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概述

英文文档

std::mersenne_twister_engine - cppreference.com

https://cplusplus.com/reference/random/mt19937/

什么是mt19937

std::mt19937是C++标准库中的一个伪随机数生成器类，它实现了梅森旋转算法（Mersenne Twister）。mt19937类是一个随机数引擎，可以生成高质量的伪随机数序列。

A Mersenne Twister pseudo-random generator of 32-bit numbers with a state size of 19937 bits.

一个有着19937位状态大小的能够生成32位数的梅森旋转伪随机生成器

什么是状态大小

状态大小（state size）指的是在随机数生成器中用于存储和更新内部状态的位数或字节数。随机数生成器的状态是一个关键的组成部分，它影响着生成的随机数序列的质量和性能。

状态大小越大，生成的随机数序列的周期（即重复之前经过的步骤数）通常越长，这意味着生成的随机数更不容易重复。较大的状态大小还可以提供更好的统计特性和更高的随机性。

状态大小的选择通常需要权衡随机性和性能之间的关系。较大的状态大小可能需要更多的内存和计算资源来存储和更新状态，可能会影响性能。因此，在选择状态大小时需要综合考虑应用的需求、可用资源和随机性要求。

对于std::mt19937而言，它使用19937位的状态大小，这是一个较大的状态大小，可以提供较长的周期和较好的随机性特性。

头文件

使用mt19937需要包含<random>头文件。

std::mt19937的常用成员函数

1. 构造函数：

•  mt19937()：默认构造函数，使用默认的种子初始化随机数引擎。
•  mt19937(unsigned int seed)：使用指定的种子初始化随机数引擎。

2. 种子操作函数：

•  seed()：设置种子值为默认值。
•  seed(unsigned int seed)：设置新的种子值。

3. 随机数生成函数：

•  operator()：生成一个32位的随机整数。

4. 辅助函数：

•  discard(unsigned long long z)：等同于执行z次operator()，以丢弃z次生成的随机数。
•  min()：获取可生成的最小随机数值。
•  max()：获取可生成的最大随机数值。

生成种子值

方法1：使用std::random_device

std::random_device是C++标准库中的一个类，它通常被用作生成伪随机数生成器的种子，以提供更高质量的随机性。

#include <chrono>
#include <random>
#include<iostream>int main() {std::random_device rd; // 创建一个std::random_device对象unsigned int seed = rd(); // 生成一个随机的种子值std::mt19937 engine(seed); // 使用随机的种子值创建一个伪随机数生成器std::cout<<engine();return 0;
}

方法2：使用时间戳

可以使用C++标准库中的std::chrono库来获取当前的时间戳，并将其转换为整数形式作为种子值。

#include <chrono>
#include <random>
#include <iostream>unsigned int generateSeedFromTimestamp() {auto now = std::chrono::system_clock::now(); // 获取当前时间点auto timestamp = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(now.time_since_epoch()); // 转换为毫秒级的时间戳return static_cast<unsigned int>(timestamp.count()); // 将时间戳转换为整数种子值
}int main() {unsigned int seed = generateSeedFromTimestamp(); // 生成种子值std::mt19937 engine(seed); // 使用种子值初始化伪随机数生成器std::cout<<engine();return 0;
}

举例说明

#include <chrono>
#include <random>
#include<iostream>int main() {std::random_device rd; // 创建一个std::random_device对象unsigned int seed = rd(); // 生成一个随机的种子值std::mt19937 engine(seed); //使用随机的种子值创建一个伪随机数生成器engine.seed(rd());//给engine设置一个新的种子值std::cout << "最小值：" << engine.min() << std::endl; // 输出最小值std::cout << "最大值：" << engine.max() << std::endl; // 输出最大值std::cout << "生成一个随机数：" << engine() << std::endl; // 输出最大值engine.discard(5);return 0;
}