【C标准库】C语言随机数生成函数：详解rand()与srand()函数

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文章目录

• 📋前言
• [一. rand()函数：生成伪随机数](#一. rand()函数：生成伪随机数)
• • [1.1 头文件](#1.1 头文件)
  • [1.2 函数原型](#1.2 函数原型)
  • [1.3 函数功能](#1.3 函数功能)
  • [1.4 返回值](#1.4 返回值)
  • [1.5 用法](#1.5 用法)
  • [1.6 问题：为什么每次运行结果相同？](#1.6 问题：为什么每次运行结果相同？)
• [二. srand()函数：设置随机数种子](#二. srand()函数：设置随机数种子)
• • [2.1 头文件](#2.1 头文件)
  • [2.2 函数原型](#2.2 函数原型)
  • [2.3 函数功能](#2.3 函数功能)
  • [2.4 辅助函数time()说明](#2.4 辅助函数time()说明)
  • [2.5 常用种子设置方法](#2.5 常用种子设置方法)
  • [2.6 注意事项](#2.6 注意事项)
• 📝全文总结

📋前言

rand()函数是C/C++中用于生成伪随机数的标准库函数，其底层基于线性同余法实现，生成的随机数序列受 "种子（seed）" 控制。默认情况下，rand()的种子固定为 1，因此每次运行程序生成的随机数序列完全相同；配合srand()函数设置动态种子，可让随机数序列具备真正的 "随机性"。

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一. rand()函数：生成伪随机数

1.1 头文件

// C标准库
#include <stdlib.h>

1.2 函数原型

int rand(void);

1.3 函数功能

rand()函数是用来生成一个伪随机数。

1.4 返回值

返回值是一个介于 0 ~ RAND_ MAX (32767) 之间的伪随机整数。

RAND_MAX 值的查询方法：
RAND_MAX是标准库定义的宏，表示rand()函数能返回的最大值，大多数视线中默认值为 32767，不同编译器可能略有差异。

验证方法（VS编译器）：

• 方法一：转到RAND_MAX定义查看：

• 方法二：使用代码验证：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    printf("当前编译器的 RAND_MAX = %d\n", RAND_MAX);
    return 0;
}

运行结果示例：

当前编译器的 RAND_MAX = 32767

1.5 用法

rand() 默认生成的范围过大，实际开发中我们通常需要指定范围（如 1~100），核心技巧是取模运算 + 偏移量。

（1）原理说明：

• 取模运算 n % m 的结果范围是 0 ~ m-1；
• 加上偏移量可调整起始值，例如 n % m + k 可将范围调整为 k ~ m+k-1。

（2）通用公式：

// 生成[min, max]范围内的随机整数
int random_num = rand() % (max - min + 1) + min;
// 公式拆解：
// 1. rand() % (max - min + 1) → 生成 0 ~ (max-min) 的整数
// 2. + min → 将范围偏移为 min ~ max

（3）更多示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    // 示例1：生成0-59的随机数
    int b1 = rand() % 60;

    // 示例2：生成1-60的随机数
    int b2 = rand() % 60 + 1;

    // 示例3：生成1994-2023的随机数
    int b3 = rand() % 30 + 1994;

    // 示例4：生成-10到10的随机数
    int b4 = rand() % 21 - 10;

    printf("b1 (0-59): %d\n", b1);
    printf("b2 (1-60): %d\n", b2);
    printf("b3 (1994-2023): %d\n", b3);
    printf("b4 (-10-10): %d\n", b4);

    return 0;
}

1.6 问题：为什么每次运行结果相同？

（1）问题现象：

直接运行下面的示例代码，你会发现：每次启动程序，生成的随机数序列完全相同。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int ret = rand();

    // 输出结果：每次运行都是相同的序列
    printf("%d\n", ret);

    return 0;
}

（2）原因分析：

这是因为rand()函数生成的伪随机数，由一个隐藏的全局种子变量（seed）控制。在调用rand()函数前，程序会先检查是否主动调用过srand(seed)为伪随机数生成器设置种子：

• 如果调用过，伪随机数生成器会以你设定的种子值作为初始值；
• 如果未主动调用srand(seed)，系统会在首次调用rand()时自动执行一次 srand(1)，即把全局种子变量的初始值固定为 1。
• 由于伪随机数是通过固定算法基于种子值生成的，只要种子值相同，每次调用 rand() 产生的伪随机数序列就完全一致。

而我们的代码中没有主动调用srand设定种子，系统每次都会用默认的种子 1 初始化，因此每次运行程序得到的随机数结果都是相同的。

（3）解决方案：

若想让程序每次运行生成的随机数序列都不重复，核心是让每次初始化伪随机数生成器时使用的种子值唯一。我们可以将系统当前时间作为种子：

srand((unsigned int)time(NULL));

由于程序每次运行的时间戳必然不同，以此初始化的种子值也会唯一，基于固定算法生成的伪随机数序列自然就不会重复了。

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二. srand()函数：设置随机数种子

2.1 头文件

#include <stdlib.h>

2.2 函数原型

void srand (unsigned int seed);

2.3 函数功能

srand()用于设置rand()函数的随机数生成器的种子值。通过提供不同的种子，可以生成不同的随机数序列。

2.4 辅助函数time()说明

（1）头文件和函数原型：

// 头文件
#include <time.h>
// 函数原型
// time_t 是整型别名（通常为 long/unsigned int），用于存储时间戳
time_t time(time_t *tloc);

（2）函数功能：

返回从 "1970 年 1 月 1 日 00:00:00" 到当前时间的秒数（时间戳）；

（3）参数：

通常使用time(NULL)或time(0)获取当前时间。

2.5 常用种子设置方法

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main() {
    // 第一步：设置种子为当前系统时间（仅需调用1次，建议放在程序开头）
    srand((unsigned int)time(NULL));

    // 第二步：生成10个1~100的随机数
    printf("生成10个1~100的随机数：\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        int random_num = rand() % 100 + 1;
        printf("%d ", random_num);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

代码剖析：

// 设置种子为当前系统时间
srand((unsigned int)time(NULL));

因为srand函数需要接受的是unsigned int类型的值，而time返回的是time_t类型的值，所以在传参的时候要使用强制类型转换。

运行结果示例（每次运行不同）：

2.6 注意事项

1. srand()一般只需在程序的开头调用一次 ，无需在每次调用rand()前重复调用；

2. 若短时间内重复运行程序（如 1 秒内），时间戳相同，仍可能生成相同序列（可结合毫秒级时间优化，新手暂无需掌握）；

3. rand()生成的是 "伪随机数"，并非密码学安全的随机数（加密场景需用专用库）。

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📝全文总结

本文关键要点回顾：

1. rand()函数 ：生成0 ~ RAND_MAX之间的伪随机整数
2. srand()函数：设置随机数种子，确保每次运行产生不同序列
3. 范围控制：通过取模运算生成指定范围的随机数
4. 常用模式 ：srand((unsigned int)time(NULL))配合rand()

// 标准使用模式
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main()
{
    // 1. 初始化种子（程序开始处调用一次）
    srand((unsigned int)time(NULL));
    
    // 2. 生成指定范围的随机数
    int random_num = rand() % (max - min + 1) + min;
    
    return 0;
}

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