C Primer Plus 第12章 12.4 随机数函数和静态变量

首先，来看一个随机数函数，该函数使用了一个具备内部连接的静态变量。ANSI C程序库提供了rand()函数来产生随机数。有多种随机数的算法，ANSI C 标准容许C实现使用针对特定机器的最佳算法。不过ANSI C也提供了一个可移植的标准算法，能够在不一样的系统中产生相同的随机数。事实上rand()是一个“伪随机数发生器”，这意味着能够预测数字的实际顺序（计算机不具备自发性），但这些数字在可能的取值范围内均匀地分布。

为了看清楚程序内部发生了什么， 咱们使用可移植的ANSI版本程序，而不是编译器内置的rand()函数。这一方案始于一个称为“种子”的数字。函数使用这个种子来产生一个新数，而这个新数又称为新的种子。接着这个新种子被用来产生一个更新的种子，依此类推。这种方案要想行之有效，随机数函数必须记下上次被调用时所使用的种子。对，这须要一个静态变量。程序清单12.7中的程序是版本0（很快您将看到版本1）。

程序清单12.7 rand0.c 函数文件

/* rand0.c --产生随机数    */
/* ANSI C 的可移植算法     */
static unsigned long int next = 1;  /*种子*/
int rand0(void)
{
/*产生伪随机数的魔术般的公式    */
    next = next * 1103515245 + 12345;
    return (unsigned int)(next/65536) % 32768;
}

在程序清单12.7中静态变量next的初始值为1，在每次调用函数时它的值被一个魔术般的公式修改。结果是一个从0到32767范围内的返回值。注意next是静态、具备内部连接的，而不仅是静态、空连接的。这是为了稍后在将本例扩展时，便于next为同一文件中的两个函数共享。

咱们用程序清单12.8所示的简单驱动程序来测试一下rand0()函数

程序清单12.8  r_drive0.c驱动程序

/*r_drive0.c --测试rand0()函数*/
/*与rand0.c一块儿编译*/
#include <stdio.h>
extern int rand0(void);

int main(void)
{
    int count;

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

    return 0;
}

如今又有一个机会来练习使用多文件。程序清单12.7和程序清单12.8分别使用一个文件。关键字extern提醒您rand0()在一个单独的文件中定义。

输出以下：

16838
5758
10113
17515
31051

输出看起来像随机的。但让咱们再来运行一次，此次结果以下：

16838
5758
10113
17515
31051

看起来很像，这就是“伪”的特征了。每次运行主程序时，都从同一个种子值1开始。能够经过引入容许重置种子的第二个函数srand1()来解决这个问题。关键是使next成为一个具备内部连接的静态变量，亲只对rand1()和srand1()可见（C程序库中与srand1()等效的函数被称为srand())。把srand1()添加到包含rand1()的文件中。程序清单12.9给出了修改后的程序。

/*s_and_r.c  --包含函数rand1()和srand1()的文件*/
/*使用ANSI C 的可移植算法*/
static unsigned long int next = 1;  /*种子*/
int rand1(void)
{
    /*产生随机数的魔术般的公式*/
    next = next*1103515245 + 12345;
    return (unsigned int)(next/65536)%32768;
}

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

注意next是一个具备内部连接的文件做用域变量。这意味着它能够同时被rand1()和srand1()使用，但不能够被其余文件中的函数使用。使用清单12.10中的驱动程序来测试这些函数。

程序清单12.10 r_drive1.c  程序

/* r_drive1.c  测试函数rand1()和srand1()  */
/*与s_and_r.c 一块儿编译*/
#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);  /*重置种子*/
        for(count=0;count<5;count++)
        printf("%hd\n",rand1());
        printf("Please enter next seed(q to quit): \n");
    }
    printf("Done\n");
    return 0;
}

又使用了两个文件。运行一次程序。

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

将1做为seed的值，产生了与前面相同的结果。如今来尝试将3做为seed的值:

若是您的C实现容许您访问系统时钟这种不断变化的量，能够用它们的值（可能须要截断）来初始化种子值。例如，ANSI C有一个函数time()能够返回系统时间。时间单位由系统决定，但有用的一点是返回值为数值类型，而且随着时间变化。其确切类型与系统有关，名称为time_t，但您能够对它进行类型指派。下面是基本思路：

#include <time.h>                     /*为time()函数提供ANSI原型*/
    srand1((unsigned int) time(0))    /*初始化种子*/

一般，time()的参数是一个time_t类型对象的地址。那种情形下，时间值也存储在那个地址中。然而，您也能够传送空指针（0）做为参数。此时，时间值仅经过返回值机制提供。

能够对标准的ANSI C函数srand()和rand()使用一样的技术。使用这些函数地，要包括stdlib.h头文件。实际上，既然已经知道srand1()和rand1()如何使用一个具备内部连接的静态变量，您一样也可使用您的编译器提供的版本。咱们将在下一个例子中这样作。