Генерация случайных чисел в языке Си

Иногда может возникнуть необходимость в генерации случайных чисел. Простой пример.

Как получить число от игрока, вам уже известно. А вот как заставить компьютер загадать случайное число? В этом уроке вы этому научитесь.

Функция rand().

Данная функция возвращает случайное целое число в диапазоне от нуля до RAND_MAX. RAND_MAX это специальная константа языка Си, в которой содержится максимальное целое число, которое может быть возвращено функцией rand().

Функция rand() определена в заголовочном файле stdlib.h. Поэтому, если хотите использовать rand в своей программе, не забудьте подключить этот заголовочный файл. Константа RAND_MAX тоже определена в этом файле. Вы можете найти этот файл у себя на компьютере и посмотреть её значение.

Давайте посмотрим на эту функцию в действии. Запустим следующий код:

#include <stdio.h>   // чтобы пользоваться функцией printf
#include <stdlib.h>  // чтобы пользоваться функцией rand
 
int main(void) {
/* генерируем пять случайных целых чисел */
  printf("%d\n", rand());
  printf("%d\n", rand());
  printf("%d\n", rand());
  printf("%d\n", rand());
  printf("%d\n", rand());
}

Должно получиться что-то вроде этого.

Рис.1 Пять случайных чисел, сгенерированных функцийе rand

Но нам бы хотелось получить числа от 1 до 53, а не всё подряд. Ниже описано несколько трюков, позволяющих наложить ограничения на функцию rand().

Ограничить случайные числа сверху.

Кто в школе ждал момента, когда ему пригодится математика, приготовьтесь. Этот момент наступил. Чтобы ограничить сверху случайные числа, можно воспользоваться операцией получения остатка от деления, которую вы изучили в прошлом уроке. Наверное вы знаете, что остаток от деления на число K всегда меньше числа K. Например, при делении на 4 могут получиться остатки 0, 1, 2 и 3. Поэтому если вы хотите ограничить сверху случайные числа числом K, то просто возьмите остаток от деления на K. Вот так:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void) {
/* генерируем пять случайных целых чисел меньших 100 */
  printf("%d\n", rand()%100);
  printf("%d\n", rand()%100);
  printf("%d\n", rand()%100);
  printf("%d\n", rand()%100);
  printf("%d\n", rand()%100);
}

Рис.2 Пять случайных чисел меньше 100

Ограничить числа снизу.

Функция rand возвращает случайные числа из отрезка [0, RAND_MAX]. А что если нам нужны только числа большие числа M (например, 1000)? Как быть? Всё просто. Просто прибавим к тому, что вернула функция rand, наше значение M. Тогда если функция вернёт 0, итоговый ответ будет M, если 2394, то итоговый ответ будет M + 2394. Этим действием мы как бы сдвигаем все числа на M единиц вперёд.

Задать границы функции rand сверху и снизу.

Например, получить числа от 80 до 100. Кажется, нужно просто объединить два способа, которые приведены выше. Получим что-то вроде этого:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void) {
/* генерируем пять случайных целых чисел больших 80 и меньших 100 */
  printf("%d\n", 80 + rand()%100);
  printf("%d\n", 80 + rand()%100);
  printf("%d\n", 80 + rand()%100);
  printf("%d\n", 80 + rand()%100);
  printf("%d\n", 80 + rand()%100);
}

Попробуйте запустить эту программу. Удивлены?

Да, такой способ работать не будет. Давайте прокрутим эту программу руками, чтобы убедиться в том, что мы допустили ошибку. Допустим rand() вернула число 143. Остаток от деления на 100 равен 43. Дальше 80 + 43 = 123. Значит такой способ не работает. Подобная конструкция выдаст числа от 80 до 179.

Давайте разберём по действиям наше выражение. rand()%100 может выдать числа от 0 до 99 включительно. Т.е. из отрезка [0; 99].
Операция + 80 сдвигает наш отрезок на 80 единиц вправо. Получаем [80; 179].
Как видим, проблема у нас заключается в правой границе отрезка, она сдвинута вправо на 79 единиц. Это наше исходное число 80 минус 1. Давайте наведём порядок и сдвинем правую границу назад: 80 + rand()%(100 - 80 + 1). Тогда всё должно сработать как надо.

В общем случае если нам нужно получить числа из отрезка [A;B], то необходимо воспользоваться следующей конструкцией:
A + rand()%(B-A+1).

Согласно этой формуле перепишем нашу последнюю программу:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void) {
/* генерируем пять случайных целых чисел из отрезка [80; 100] */
  printf("%d\n", 80 + rand()%(100 - 80 + 1));
  printf("%d\n", 80 + rand()%(100 - 79));
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
}

Результат работы:

Рис.3 Случайные числа из диапазона [80;100]

Ну вот, теперь вы можете решить исходную задачу урока. Сгенерировать число из отрезка [1; N]. Или не можете?

Но прежде ещё немного полезной информации. Запустите последнюю программу три раза подряд и записывайте себе случайные числа, которые она генерирует. Заметили?

Функция srand().

Да, каждый раз появляются одни и те же одинаковые числа. «Так себе генератор!» – скажете вы. И будете не совсем правы. Действительно, генерируются всё время одинаковые числа. Но мы можем на это повлиять, для этого используется функция srand(), которая также определена в заголовочном файле stdlib.h. Она инициализирует генератор случайных чисел начальным числом.

Скомпилируйте и запустите несколько раз вот эту программу:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void) {
  srand(2);
/* генерируем пять случайных целых чисел из отрезка [80;100] */
  printf("%d\n", 80 + rand()%(100 - 80 + 1));
  printf("%d\n", 80 + rand()%(100 - 79));
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
}

Теперь поменяйте аргумент функции srand() на другое число (надеюсь вы ещё не забыли, что такое аргумент функции?) и снова скомпилируйте и запустите программу. Последовательность чисел должна измениться. Как только мы меняем аргумент в функции srand – меняется и последовательность. Не очень практично, не правда ли? Чтобы изменить последовательность, нужно перекомпилировать программу. Вот бы это число туда подставлялось автоматически.

И это можно сделать. Например, воспользуемся функцией time(), которая определена в заголовочном файле time.h. Данная функция, если ей в качестве аргумента передать NULL, возвращает количество секунд, прошедших c 1 января 1970 года. Вот посмотрите, как это делается.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h> // чтобы использовать функцию time()
 
int main(void) {
  srand(time(NULL));
/* генерируем пять случайных целых чисел из отрезка [80;100] */
  printf("%d\n", 80 + rand()%(100 - 80 + 1));
  printf("%d\n", 80 + rand()%(100 - 79));
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
  printf("%d\n", 80 + rand()%21);
}

Вы спросите, а что такое NULL? Резонный вопрос. А я вам пока отвечу, что это специальное зарезервированное слово такое. Могу ещё сказать, что им обозначает нулевой указатель, но т.к. это для вас никакой информации не несёт, то на данный момент рекомендую об этом не думать. А просто запомнить как некоторый хитрый трюк. В будущих уроках мы остановимся на этой штуке поподробнее.