c - glibc rand 函数实现

Question

我正在阅读带有 glibc 源代码的 c 标准库 rand() 函数实现。标准库/random_r.c，第 359 行

int
__random_r (buf, result)
            struct random_data *buf;
            int32_t *result;
{
  int32_t *state;

  if (buf == NULL || result == NULL)
    goto fail;

  state = buf->state;

  if (buf->rand_type == TYPE_0)
    {
      int32_t val = state[0];
      val = ((state[0] * 1103515245) + 12345) & 0x7fffffff;
      state[0] = val;
      *result = val;
    }
  else
    {
      int32_t *fptr = buf->fptr;
      int32_t *rptr = buf->rptr;
      int32_t *end_ptr = buf->end_ptr;
      int32_t val;

      val = *fptr += *rptr;
      /* Chucking least random bit.  */
      *result = (val >> 1) & 0x7fffffff;
      ++fptr;
      if (fptr >= end_ptr)
        {
          fptr = state;
          ++rptr;
        }
      else
        {
          ++rptr;
          if (rptr >= end_ptr)
            rptr = state;
        }
      buf->fptr = fptr;
      buf->rptr = rptr;
    }
  return 0;

 fail:
  __set_errno (EINVAL);
  return -1;
}

我不明白 random_r 是如何生成随机数(buf->rand_type != TYPE_0)的，有人请解释一下吗？谢谢。

score 23 · Accepted Answer

glibc rand()有两种不同的生成器实现：

一个简单的线性同余生成器 (LCG)，由以下等式定义：

val = ((state * 1103515245) + 12345) & 0x7fffffff

（& 0x7fffffff丢弃最不随机的最重要的位）

这是一个非常简单的单态 LCG。它有一些缺点。最重要的是，因为它是一个单一的状态生成器，它不会在每个单独的rand()调用中生成一个完全伪随机数。它真正做的是它以伪随机顺序遍历整个范围 (2^31)。这有一个意味深长的含义：当您获得某个数字时，意味着您在当前期间不会再次获得该数字。您将在下一次 2^31rand()电话中准确地再次获得该号码，不早也不晚。

这个生成器TYPE_0在glibc源代码中被称为。
稍微高级一点的附加反馈生成器。该生成器有许多状态，这意味着它不具有上述“遍历属性”。您可以在同一时期内两次（或多次）获得相同的号码。

您可以在此处找到对该算法的出色描述。

此生成器在源代码中称为、TYPE_1或。TYPE_2TYPE_3TYPE_4glibc

回到您的问题，这就是它产生价值的方式：
```
seeding_stage() // (code omitted here, see the description from above link)

for (i=344; i<MAX; i++)
{
    r[i] = r[i-31] + r[i-3];
    val = ((unsigned int) r[i]) >> 1;
}
```
您问题中的代码else只是上面的代码，但以不同的方式编写（使用指向包含先前值的数组的指针）。

使用哪个生成器取决于使用initstate()函数设置的初始状态的大小。第一个（LCG）生成器仅在状态大小为 8 字节时使用。当它更大时，使用第二个生成器。当您使用srand()状态的大小设置种子时，默认情况下为 128 字节，因此使用第二个生成器。一切都写在glibc您在问题中引用的源文件中的注释中。

score 5 · Accepted Answer

如果其他人需要对 GNU C 库的 srand()/rand() 函数进行简单的重新实现，这个 C# 类会准确地再现生成的随机数。unchecked 关键字是明确允许整数溢出。（基于 Piotr Jurkiewicz 的回答。）

public class GnuRand
{
    private uint[] r;
    private int n;

    public GnuRand(uint seed)
    {
        r = new uint[344];

        unchecked
        {
            r[0] = seed;
            for (int i = 1; i < 31; i++)
            {
                r[i] = (uint)((16807 * (ulong)r[i - 1]) % 2147483647);
            }
            for (int i = 31; i < 34; i++)
            {
                r[i] = r[i - 31];
            }
            for (int i = 34; i < 344; i++)
            {
                r[i] = r[i - 31] + r[i - 3];
            }
        }

        n = 0;
    }

    public int Next()
    {
        unchecked
        {
            uint x = r[n % 344] = r[(n + 313) % 344] + r[(n + 341) % 344];
            n = (n + 1) % 344;
            return (int)(x >> 1);
        }
    }
}

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