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C语言基础:伪随机数
2014-11-23 20:06:40 】 浏览:6283
Tags:语言基础 随机

  大家可能很多次讨论过随机数在计算机中怎样产生的问题,在这篇文章中,我会对这个问题进行更深入的探讨,阐述我对这个问题的理解。


  首先需要声明的是,计算机不会产生绝对随机的随机数,计算机只能产生“伪随机数”。其实绝对随机的随机数只是一种理想的随机数,即使计算机怎样发展,它也不会产生一串绝对随机的随机数。计算机只能生成相对的随机数,即伪随机数。


  伪随机数并不是假随机数,这里的“伪”是有规律的意思,就是计算机产生的伪随机数既是随机的又是有规律的。怎样理解呢?产生的伪随机数有时遵守一定的规律,有时不遵守任何规律;伪随机数有一部分遵守一定的规律;另一部分不遵守任何规律。比如“世上没有两片形状完全相同的树叶”,这正是点到了事物的特性,即随机性,但是每种树的叶子都有近似的形状,这正是事物的共性,即规律性。从这个角度讲,你大概就会接受这样的事实了:计算机只能产生伪随机数而不能产生绝对随机的随机数。(严格地说,这里的计算机是指由冯诺依曼思想发展起来的电子计算机。而未来的量子计算机有可能产生基于自然规律的不可重现的 “真”随机数)


  那么计算机中随机数是怎样产生的呢?有人可能会说,随机数是由“随机种子”产生的。没错,随机种子是用来产生随机数的一个数,在计算机中,这样的一个“随机种子”是一个无符号整形数。那么随机种子是从哪里获得的呢?


  下面看这样一个C程序:


  //rand01.c


  #include


  static unsigned int RAND_SEED;


  unsigned int random(void)


  {


  RAND_SEED=(RAND_SEED*123+59)%65536;


  return(RAND_SEED);


  }


  void random_start(void)


  {


  int temp[2];


  movedata(0x0040,0x006c,FP_SEG(temp),FP_OFF(temp),4);


  RAND_SEED=temp[0];


  }


  main()


  {


  unsigned int i,n;


  random_start();


  for(i=0;i<10;i++)


  printf("%u\t",random());


  printf("\n");


  }


  这个程序(rand01.c)完整地阐述了随机数产生的过程:


  首先,主程序调用random_start()方法,random_start()方法中的这一句我很感兴趣:


  movedata(0x0040,0x006c,FP_SEG(temp),FP_OFF(temp),4);


  这个函数用来移动内存数据,其中FP_SEG(far pointer to segment)是取temp数组段地址的函数,FP_OFF(far pointer to offset)是取temp数组相对地址的函数,movedata函数的作用是把位于0040:006CH存储单元中的双字放到数组temp的声明的两个存储单元中。这样可以通过temp数组把0040:006CH处的一个16位的数送给RAND_SEED。


  random用来根据随机种子RAND_SEED的值计算得出随机数,其中这一句:


  RAND_SEED=(RAND_SEED*123+59)%65536;


  是用来计算随机数的方法,随机数的计算方法在不同的计算机中是不同的,即使在相同的计算机中安装的不同的操作系统中也是不同的。我在linux和windows下分别试过,相同的随机种子在这两种操作系统中生成的随机数是不同的,这说明它们的计算方法不同。


  现在,我们明白随机种子是从哪儿获得的,而且知道随机数是怎样通过随机种子计算出来的了。那么,随机种子为什么要在内存的0040:006CH处取?0040:006CH处存放的是什么?


  学过《计算机组成原理与接口技术》这门课的人可能会记得在编制ROM BIOS时钟中断服务程序时会用到Intel 8253定时/计数器,它与Intel 8259中断芯片的通信使得中断服务程序得以运转,主板每秒产生的18.2次中断正是处理器根据定时/记数器值控制中断芯片产生的。在我们计算机的主机板上都会有这样一个定时/记数器用来计算当前系统时间,每过一个时钟信号周期都会使记数器加一,而这个记数器的值存放在哪儿呢?没错,就在内存的 0040:006CH处,其实这一段内存空间是这样定义的:


  TIMER_LOW DW ;地址为 0040:006CH


  TIMER_HIGH DW ;地址为 0040:006EH


  TIMER_OFT DB ;地址为 0040:0070H


  时钟中断服务程序中,每当TIMER_LOW转满时,此时,记数器也会转满,记数器的值归零,即TIMER_LOW处的16位二进制归零,而TIMER_HIGH加一。rand01.c中的


  movedata(0x0040,0x006c,FP_SEG(temp),FP_OFF(temp),4);


  正是把TIMER_LOW和TIMER_HIGH两个16位二进制数放进temp数组,再送往RAND_SEED,从而获得了“随机种子”。


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