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C語言 rand() 偽隨機數機制與優質隨機數獲取指南

編輯：C 語言問答

rand() 本質：線性同餘生成器 (LCG)

標準庫 `rand()` 通常實現為：next = (next * 1103515245 + 12345) % 2^31 (GLIBC) 或類似參數。特點：

確定性：同種子 `srand(seed)` 產生完全相同序列，利於測試復現。
週期短：2^31-1 ≈ 21 億，大規模模擬易耗盡。
統計質量差：低位周期極短 (最低位週期 2)，rand() % N 導致分佈不均 (模數偏差)。
非執行緒安全：全域狀態共享。
不可用於密碼學：可預測、狀態可逆推。

正確使用 rand() 的姿勢

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

// 1. 種子只設一次，用高熵源
void init_rand() {
    uint64_t seed = 0;
    FILE *ur = fopen("/dev/urandom", "rb");
    if (ur) { fread(&seed, 1, sizeof(seed), ur); fclose(ur); }
    else { seed = (uint64_t)time(NULL) ^ (uintptr_t)&seed; }
    srand((unsigned)seed);
}

// 2. 均勻分佈 [0, n-1] (拒絕採樣消除模數偏差)
int rand_uniform(int n) {
    if (n <= 0) return 0;
    const int limit = RAND_MAX - (RAND_MAX % n);
    int r;
    do { r = rand(); } while (r >= limit);
    return r % n;
}

// 3. 浮點 [0.0, 1.0)
double rand_double() {
    return (double)rand() / (RAND_MAX + 1.0);
}

現代優質替代方案

方案	標準/庫	特點	適用場景
C11 `` + 自定義 PCG/Xorshift	自實現 / PCG	無狀態、執行緒局部、統計質量優、速度極快、種子 128 位	高效能模擬、遊戲、非密碼學
C++11 ``	STL	引擎 (mt19937) + 分佈 (uniform_int_distribution) 分離、型別安全	C++ 專案首選
POSIX `random()` / `drand48()`	BSD/System V	比 `rand()` 好，但仍非密碼學級	舊 Unix 代碼遷移
`getrandom()` / `/dev/urandom` / `CryptGenRandom` / `BCryptGenRandom`	OS 內核	密碼學級真隨機 (熵池)、慢、阻塞 (getrandom flags 控制)	金鑰生成、Nonce、Session ID、密碼重設 Token
硬體指令 `RDRAND` / `RDSEED` (x86) / `RNDR` (ARMv8.5)	CPU	硬體熵源、極快、需檢查 CF/標誌位	高吞吐密碼學隨機

選型建議

單執行緒、非關鍵、簡單測試：`rand()` + 拒絕採樣。
多執行緒、高效能模擬、遊戲：PCG/Xorshift128+ (執行緒局部實例)。
C++ 專案：`` `std::mt19937_64` + 分佈物件。
任何安全相關 (Token、Key、Salt、IV、Nonce)：OS CSPRNG (`getrandom`/`CryptGenRandom`/`/dev/urandom`)。