Dlaczego rand () + rand () generuje liczby ujemne?

Zauważyłem, że rand()funkcja biblioteki, gdy jest wywoływana tylko raz w pętli, prawie zawsze generuje liczby dodatnie.

for (i = 0; i < 100; i++) {
    printf("%d\n", rand());
}

Ale kiedy dodam dwa rand()połączenia, wygenerowane liczby mają teraz więcej liczb ujemnych.

for (i = 0; i < 100; i++) {
    printf("%d = %d\n", rand(), (rand() + rand()));
}

Czy ktoś może wyjaśnić, dlaczego widzę liczby ujemne w drugim przypadku?

PS: Inicjuję ziarno przed pętlą jako srand(time(NULL)).

rand()jest zdefiniowany tak, aby zwracał liczbę całkowitą między 0i RAND_MAX.

rand() + rand()

może się przepełnić. To, co obserwujesz, jest prawdopodobnie wynikiem nieokreślonego zachowania spowodowanego przepełnieniem liczb całkowitych.

Problemem jest dodatek. rand()zwraca intwartość 0...RAND_MAX. Więc jeśli dodasz dwa z nich, wstaniesz RAND_MAX * 2. Jeśli to przekracza INT_MAX, wynik dodania przepełnia prawidłowy zakres, jaki intmoże utrzymać. Przepełnienie podpisanych wartości jest nieokreślonym zachowaniem i może prowadzić do tego, że klawiatura mówi do ciebie obcymi językami.

Ponieważ dodawanie dwóch losowych wyników nie przynosi korzyści, prostym pomysłem jest po prostu nie robienie tego. Alternatywnie możesz rzucić każdy wynik na unsigned intprzed dodaniem, jeśli może to pomieścić sumę. Lub użyj większego typu. Pamiętaj, że longniekoniecznie jest szerszy niż int, to samo dotyczy, long longjeśli intma co najmniej 64 bity!

Wniosek: po prostu unikaj dodawania. Nie zapewnia większej „losowości”. Jeśli potrzebujesz więcej bitów, możesz połączyć wartości sum = a + b * (RAND_MAX + 1), ale prawdopodobnie również wymaga to większego typu danych niż int.

Jako podany powód należy unikać wyniku zerowego: nie można tego uniknąć przez dodanie wyników dwóch rand()wywołań, ponieważ oba mogą być zerowe. Zamiast tego możesz po prostu zwiększyć. Jeśli RAND_MAX == INT_MAXnie można tego zrobić w int. Jednak (unsigned int)rand() + 1zrobi to bardzo, bardzo prawdopodobne. Prawdopodobnie (nie definitywnie), ponieważ wymaga UINT_MAX > INT_MAX, co jest prawdą we wszystkich implementacjach, o których wiem (co obejmuje całkiem sporo wbudowanych architektur, DSP i wszystkich platform stacjonarnych, mobilnych i serwerowych z ostatnich 30 lat).

Ostrzeżenie:

Mimo, że zostało już tutaj pokropionych komentarzami, należy pamiętać, że dodanie dwóch losowych wartości nie daje jednolitego rozkładu, ale rozkład trójkątny, taki jak rzucenie dwiema kościami: aby uzyskać 12(dwie kości) obie kości muszą się pokazać 6. ponieważ 11istnieją już dwa możliwe warianty: 6 + 5lub 5 + 6itd.

Tak więc dodanie jest również złe w tym aspekcie.

Zauważ też, że rand()generowane wyniki nie są od siebie niezależne, ponieważ są generowane przez generator liczb pseudolosowych . Należy również zauważyć, że standard nie określa jakości ani jednolitego rozkładu obliczonych wartości.

To jest odpowiedź na wyjaśnienie pytania postawionego w komentarzu do tej odpowiedzi ,

powodem, dla którego dodawałem, było uniknięcie „0” jako liczby losowej w moim kodzie. rand () + rand () to szybkie, brudne rozwiązanie, które z łatwością przyszło mi do głowy.

Problem polegał na uniknięciu 0. Istnieją dwa (przynajmniej) dwa problemy z proponowanym rozwiązaniem. Jedna, jak wskazują inne odpowiedzi, rand()+rand()może wywoływać niezdefiniowane zachowanie. Najlepsza rada to nigdy nie powoływać się na niezdefiniowane zachowanie. Inną kwestią jest to, że nie ma gwarancji, że rand()nie da 0 dwa razy z rzędu.

Poniższe odrzuca zero, unika niezdefiniowanego zachowania, aw zdecydowanej większości przypadków będzie szybsze niż dwa wezwania do rand():

int rnum;
for (rnum = rand(); rnum == 0; rnum = rand()) {}
// or do rnum = rand(); while (rnum == 0);

Zasadniczo rand()twórz liczby pomiędzy 0i RAND_MAX, 2 RAND_MAX > INT_MAXw twoim przypadku.

Możesz moduł z maksymalną wartością typu danych, aby zapobiec przepełnieniu. To oczywiście zakłóci rozkład liczb losowych, ale randjest tylko sposobem na uzyskanie szybkich liczb losowych.

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

int main(void)
{
    int i=0;

    for (i=0; i<100; i++)
        printf(" %d : %d \n", rand(), ((rand() % (INT_MAX/2))+(rand() % (INT_MAX/2))));

    for (i=0; i<100; i++)
        printf(" %d : %ld \n", rand(), ((rand() % (LONG_MAX/2))+(rand() % (LONG_MAX/2))));

    return 0;
}

Być może możesz spróbować raczej podchwytliwego podejścia, upewniając się, że wartość zwrócona przez sumę 2 rand () nigdy nie przekracza wartości RAND_MAX. Możliwym podejściem może być sum = rand () / 2 + rand () / 2; Zapewniłoby to, że dla 16-bitowego kompilatora o wartości RAND_MAX 32767, nawet jeśli oba randy zwrócą 32767, nawet wtedy (32767/2 = 16383) 16383 + 16383 = 32766, a zatem nie spowodowałoby sumy ujemnej.

powodem, dla którego dodawałem, było uniknięcie „0” jako liczby losowej w moim kodzie. rand () + rand () to szybkie, brudne rozwiązanie, które z łatwością przyszło mi do głowy.

Proste rozwiązanie (ok, nazwij to „hack”), które nigdy nie daje wyniku zerowego i nigdy się nie przepełni:

x=(rand()/2)+1    // using divide  -or-
x=(rand()>>1)+1   // using shift which may be faster
                  // compiler optimization may use shift in both cases

Ograniczy to twoją maksymalną wartość, ale jeśli nie przejmujesz się tym, to powinno działać dobrze.

Aby uniknąć 0, spróbuj tego:

int rnumb = rand()%(INT_MAX-1)+1;

Musisz dołączyć limits.h.

Podczas gdy to, co wszyscy inni powiedzieli o prawdopodobnym przepełnieniu, może równie dobrze być przyczyną negatywności, nawet jeśli używasz liczb całkowitych bez znaku. Prawdziwym problemem jest fakt, że funkcja nasion / daty jest używana jako ziarno. Jeśli naprawdę zapoznałeś się z tą funkcjonalnością, będziesz wiedział dokładnie, dlaczego to mówię. To, co tak naprawdę robi, to podanie odległości (czasu, który upłynął) od określonej daty / godziny. Chociaż użycie funkcji daty / godziny jako materiału źródłowego dla rand () jest bardzo powszechną praktyką, tak naprawdę nie jest najlepszą opcją. Powinieneś szukać lepszych alternatyw, ponieważ istnieje wiele teorii na ten temat, a ja nie mógłbym przejść do wszystkich z nich. Dodajesz do tego równania możliwość przepełnienia, a to podejście było skazane od samego początku.

Ci, którzy opublikowali rand () + 1, korzystają z rozwiązania, z którego najczęściej korzystają, aby zagwarantować, że nie otrzymają liczby ujemnej. Ale to podejście nie jest tak naprawdę najlepsze.

Najlepszą rzeczą, jaką możesz zrobić, to poświęcić dodatkowy czas na napisanie i użycie odpowiedniej obsługi wyjątków i dodawanie tylko do liczby rand (), jeśli i / lub kiedy skończy się wynikiem zero. I, aby poprawnie radzić sobie z liczbami ujemnymi. Funkcja rand () nie jest doskonała, dlatego należy jej używać w połączeniu z obsługą wyjątków, aby uzyskać pożądany wynik.

Poświęcenie dodatkowego czasu i wysiłku na zbadanie, przestudiowanie i prawidłowe wdrożenie funkcji rand () jest warte czasu i wysiłku. Tylko moje dwa centy. Powodzenia w twoich staraniach ...