C Primer Plus 第12章 12.4 隨機數函數和靜態變量

首先，來看一個隨機數函數，該函數使用了一個具備內部連接的靜態變量。ANSI C程序庫提供了rand()函數來產生隨機數。有多種隨機數的算法，ANSI C 標準容許C實現使用針對特定機器的最佳算法。不過ANSI C也提供了一個可移植的標準算法，能夠在不一樣的系統中產生相同的隨機數。事實上rand()是一個「僞隨機數發生器」，這意味着能夠預測數字的實際順序（計算機不具備自發性），但這些數字在可能的取值範圍內均勻地分佈。

爲了看清楚程序內部發生了什麼， 咱們使用可移植的ANSI版本程序，而不是編譯器內置的rand()函數。這一方案始於一個稱爲「種子」的數字。函數使用這個種子來產生一個新數，而這個新數又稱爲新的種子。接着這個新種子被用來產生一個更新的種子，依此類推。這種方案要想行之有效，隨機數函數必須記下上次被調用時所使用的種子。對，這須要一個靜態變量。程序清單12.7中的程序是版本0（很快您將看到版本1）。

程序清單12.7 rand0.c 函數文件

/* rand0.c --產生隨機數    */
/* ANSI C 的可移植算法     */
static unsigned long int next = 1;  /*種子*/
int rand0(void)
{
/*產生僞隨機數的魔術般的公式    */
    next = next * 1103515245 + 12345;
    return (unsigned int)(next/65536) % 32768;
}

在程序清單12.7中靜態變量next的初始值爲1，在每次調用函數時它的值被一個魔術般的公式修改。結果是一個從0到32767範圍內的返回值。注意next是靜態、具備內部連接的，而不僅是靜態、空連接的。這是爲了稍後在將本例擴展時，便於next爲同一文件中的兩個函數共享。

咱們用程序清單12.8所示的簡單驅動程序來測試一下rand0()函數

程序清單12.8  r_drive0.c驅動程序

/*r_drive0.c --測試rand0()函數*/
/*與rand0.c一塊兒編譯*/
#include <stdio.h>
extern int rand0(void);

int main(void)
{
    int count;

    for(count=0;count<5;count++)
        printf("%hd\n",rand0());

    return 0;
}

如今又有一個機會來練習使用多文件。程序清單12.7和程序清單12.8分別使用一個文件。關鍵字extern提醒您rand0()在一個單獨的文件中定義。

輸出以下：

16838
5758
10113
17515
31051

輸出看起來像隨機的。但讓咱們再來運行一次，此次結果以下：

16838
5758
10113
17515
31051

看起來很像，這就是「僞」的特徵了。每次運行主程序時，都從同一個種子值1開始。能夠經過引入容許重置種子的第二個函數srand1()來解決這個問題。關鍵是使next成爲一個具備內部連接的靜態變量，親只對rand1()和srand1()可見（C程序庫中與srand1()等效的函數被稱爲srand())。把srand1()添加到包含rand1()的文件中。程序清單12.9給出了修改後的程序。

/*s_and_r.c  --包含函數rand1()和srand1()的文件*/
/*使用ANSI C 的可移植算法*/
static unsigned long int next = 1;  /*種子*/
int rand1(void)
{
    /*產生隨機數的魔術般的公式*/
    next = next*1103515245 + 12345;
    return (unsigned int)(next/65536)%32768;
}

void srand1(unsigned int seed)
{
    next = seed;
}

注意next是一個具備內部連接的文件做用域變量。這意味着它能夠同時被rand1()和srand1()使用，但不能夠被其餘文件中的函數使用。使用清單12.10中的驅動程序來測試這些函數。

程序清單12.10 r_drive1.c  程序

/* r_drive1.c  測試函數rand1()和srand1()  */
/*與s_and_r.c 一塊兒編譯*/
#include <stdio.h>
extern void srand1(unsigned int x);
extern int rand1(void);

int main(void)
{
    int count;
    unsigned seed;

    printf("Please enter your choice for seed.\n");
    while(scanf("%u",&seed)==1)
    {
        srand1(seed);  /*重置種子*/
        for(count=0;count<5;count++)
        printf("%hd\n",rand1());
        printf("Please enter next seed(q to quit): \n");
    }
    printf("Done\n");
    return 0;
}

又使用了兩個文件。運行一次程序。

please enter your choice for seed.
1
16838
5758
10113
17515
31051
please enter your choice for seed:
3
20067
23475
8955
20841
15324
please enter your choice for seed:
q
Done

將1做爲seed的值，產生了與前面相同的結果。如今來嘗試將3做爲seed的值:

若是您的C實現容許您訪問系統時鐘這種不斷變化的量，能夠用它們的值（可能須要截斷）來初始化種子值。例如，ANSI C有一個函數time()能夠返回系統時間。時間單位由系統決定，但有用的一點是返回值爲數值類型，而且隨着時間變化。其確切類型與系統有關，名稱爲time_t，但您能夠對它進行類型指派。下面是基本思路：

#include <time.h>                     /*爲time()函數提供ANSI原型*/
    srand1((unsigned int) time(0))    /*初始化種子*/

一般，time()的參數是一個time_t類型對象的地址。那種情形下，時間值也存儲在那個地址中。然而，您也能夠傳送空指針（0）做爲參數。此時，時間值僅經過返回值機制提供。

能夠對標準的ANSI C函數srand()和rand()使用一樣的技術。使用這些函數地，要包括stdlib.h頭文件。實際上，既然已經知道srand1()和rand1()如何使用一個具備內部連接的靜態變量，您一樣也可使用您的編譯器提供的版本。咱們將在下一個例子中這樣作。