C 語言偽隨機數生成算法原理與自定義實現

偽隨機數本質

計算機無法產生真隨機數，通過**確定性算法**生成看似隨機的序列。核心公式：X_{n+1} = (a * X_n + c) mod m（線性同餘法，LCG）。

自定義實現（參考 curl/內核風格）

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

static unsigned int randseed;

unsigned int Curl_rand(void) {
    randseed = randseed * 1103515245 + 12345; // 經典 LCG 參數
    return (randseed << 16) | ((randseed >> 16) & 0xFFFF); // 打亂高低位
}

void Curl_srand(void) {
    randseed = (unsigned int)time(NULL);
    Curl_rand(); Curl_rand(); Curl_rand(); // 熱身
}

int main() {
    Curl_srand();
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        printf("%u\n", Curl_rand() % 100); // 0-99
    return 0;
}

標準庫 rand/srand 用法

#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    srand(time(NULL));
    for (int i=0; i<10; i++) printf("%d\n", rand() % 100);
    return 0;
}

關鍵點對比

改進方向

• 使用 thread_local 種子實現線程安全。
• 採用 Mersenne Twister (MT19937) 獲得更長週期、更好統計特性。
• 加密場景必須用 CSPRNG（如 /dev/urandom、CryptGenRandom、getrandom()）。

總結

理解 LCG 原理有助於在無標準庫環境（嵌入式、內核、引導加載器）實現可控隨機數。應用層優先使用標準庫或成熟第三方庫（如 random C++11、PCG、xoshiro），避免自造輪子導致統計缺陷。