glibc rand函数实现

Question

我正在阅读带有glibc源代码的标准库rand（）函数实现 。 stdlib / 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如何生成随机数(buf->rand_type != TYPE_0) ，有谁请解释一下？ 谢谢。

Answer 1

glibc rand()有两种不同的生成器实现：

1. 简单的线性同余生成器（LCG），由以下等式定义：

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

   （ & 0x7fffffff抛弃最随机最重要的位）

   这是一个非常简单的单状态LCG。 它有一些缺点。 最重要的一点是，因为它是单个状态生成器，所以它不会在每个单独的rand()调用上生成完全伪随机数。 它真正做的是它以伪随机顺序遍历整个范围（2 ^ 31） 。 这有一个有意义的含义：当你获得一些数字时，这意味着你不会在当前时期再次获得这个数字。 您将在下一次2 ^ 31 rand()调用中再次获得该数字，不久之后，不会更晚。

   该生成器在glibc源中称为TYPE_0 。

2. 一个稍微先进的附加反馈发生器。 该生成器具有许多状态，这意味着它没有上述的“遍历属性”。 您可以在同一时期内获得相同的数字两次（或更多次）。

   您可以在此处找到该算法的绝佳描述。

   该生成器在glibc源中称为TYPE_1 ， TYPE_2 ， TYPE_3或TYPE_4 。

   回到你的问题，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; } 

   你问题中else之后的代码只是上面的代码，但是以不同的方式编写（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个字节时使用。 当它更大时，使用第二个发生器。 使用srand()设置种子时，默认情况下状态的大小为128字节，因此使用第二个生成器。 在您的问题中引用的glibc源文件中，所有内容都写在注释中。

Answer 2

如果其他人需要对GNU C Library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关键字是显式允许整数溢出。 （根据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);
        }
    }
}