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C語言隨機數生成：srand/rand 原理、陷阱與現代替代方案

編輯：C 語言問答

rand() / srand() 完全指南：從原理到工程級用法

基本用法

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

int main() {
    srand((unsigned)time(NULL));  // 種子：當前時間秒數
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        printf("%d ", rand() % 100);  // 0-99
    return 0;
}

核心機制

rand()：線性同餘生成器 (LCG)，返回 0 到 RAND_MAX (至少 32767) 偽隨機數。
srand(seed)：設置種子，**相同種子產生完全相同序列** (可復現調試)。
不調用 srand：默認種子為 1，每次運行結果相同。
全局狀態：rand() 非線程安全，多線程競爭種子/狀態。

常見陷阱與修正

錯誤寫法	問題	修正
`rand() % N`	模數偏差：`RAND_MAX+1` 不能被 N 整除，低位數字概率略高	拒絕採樣或用浮點縮放 `(int)(rand() / (RAND_MAX+1.0) * N)`
循環中反覆 `srand(time(NULL))`	同一秒內種子相同，產生相同序列	程序啟動時只調用一次 srand
多線程共用 `rand()`	數據競爭，序列混亂	用 `rand_r(&seed)` (POSIX) 或 C++11 `std::mt19937` 線程局部引擎
加密/安全場景用 `rand()`	可預測，非加密安全	用 `/dev/urandom`, `CryptGenRandom`, `getrandom()`, `arc4random()`

現代 C/C++ 最佳實踐

C11 線程安全：rand_r

unsigned int seed = (unsigned)time(NULL);
int r = rand_r(&seed);  // 線程局部種子，無全局狀態

C++11 (強烈推薦 C++ 項目)

#include 
std::mt19937 gen(std::random_device{}());  // 硬體熵源種子
std::uniform_int_distribution dist(0, 99);
for (int i=0; i<10; ++i) std::cout << dist(gen) << ' ';
// 支援正態、泊松、指數等多種分佈，極快、高質量、線程安全

C 語言高質量替代：PCG / Xorshift / SplitMix64 (單文件引入)

// SplitMix64 極簡實現
static uint64_t sm64_state;
uint64_t splitmix64() {
    uint64_t z = (sm64_state += 0x9e3779b97f4a7c15ULL);
    z = (z ^ (z >> 30)) * 0xbf58476d1ce4e5b9ULL;
    z = (z ^ (z >> 27)) * 0x94d049bb133111ebULL;
    return z ^ (z >> 31);
}
void sm64_seed(uint64_t s) { sm64_state = s; }