随机数大家都会用，但是你知道生成随机数的算法吗？
文章插图
作者 | 梁唐
来源 | TechFlow（ID：techflow2019）
头图 | CSDN 下载自东方IC
今天我们来和大家聊聊随机数 。
大家如果学过编程对于随机数应该都不陌生 ， 应该或多或少都用到过 。 再不济我们每周的抽奖都是用随机数抽出来的 ， 我们用随机数的时候 ， 往往都会加一个前缀 ， 说它是伪随机数 ， 那么这个伪随机数的伪字该怎么解释 ， 什么又是真随机数呢？
文章插图
真伪随机数目前学界划分真伪随机数的方式非常简单 ， 一句话就能说明白 ， 凡是用一定的算法使用程序生成的都是伪随机数 ， 通过物理现象产生的随机数才是真随机数 。 也就是说计算学家们已经证明了仅仅依靠算法是无法生成真随机数的 ， 也可以认为这是一个NP问题 。
算法生成的都是伪随机数的证明太过复杂我们可以不去深究 ， 但是什么又叫做物理现象产生的随机数呢？其实也很简单 ， 举个很简单的例子就是抛硬币和掷骰子 。 当然物理现象不止这些 ， 比如还有电子元件的噪音、元素的衰变等等 。
真假随机数之间的最大差别在哪里？其实就在是否可以预测上 。 计算机算法得出的各种随机数之所以是伪随机数是因为它们的结果都是可以预测的 ， 只要我们知道算法和起始状态以及各种参数 ， 就可以预测下一次随机出来的结果 。 而真随机数则无法预测 ， 就是纯粹随机的 。
但问题来了 ， 抛硬币和掷骰子这些物理现象又是真的随机吗？如果我们知道了硬币的起始状态以及抛掷的角度和力度 ， 是不是可以预测硬币抛掷的结果呢？进一步我们是否可以假设 ， 如果我们能知道所有例子的所有状态 ， 是否所有所谓的随机数都是可以预测的呢？但根据量子力学的测不准原理 ， 我们知道我们无法同时知道粒子的位置和动量 ， 不仅说明了我们无法预测 ， 也说明了我们无法假设预测 。
所以某种程度上来说物理现象是不是就是真随机 ， 这就成了一个哲学问题 。 但至少在计算机领域当中 ， 这个问题是明确的 ， 算法得出的都是伪随机数 ， 只有通过物理现象得出的才是真随机数 。
在计算机系统当中 ， 伪随机数都是有周期的 ， 只要我们持续的次数足够多 ， 就可以看到这种周期 。 而真随机数则不存在这种周期 ， 有一位前辈做过一个随机数可视化实验 ， 也就是把随机数得到的结果做成图片 。 我们可以直观地对比一下 ， 这是真随机数可视化之后的图片：
文章插图
看起来像不像是以前的电视收不到信号的时候显示的内容？我们再来看看通过算法生成的伪随机数可视化之后的结果：
文章插图
对比一下还是挺明显的 ， 明显可以看出来伪随机数是有规律的 ， 这个规律体现出来就是图像当中的纹理 。 如果大家想要获取真随机数 ， 可以访问random.org这个网站 ， 它是免费的 ， 我们可以人为设置上下限来获取指定范围内的随机数 。
对比过真伪随机数之后 ， 我们再来看看现在计算机系统当中常用的伪随机数生成算法的原理 。
文章插图
平方取中法我们首先介绍的是平方取中法 ， 这个方法非常简单粗暴 ， 是用来产生四位随机数的 。
具体的逻辑是怎样的呢？首先我们需要一个随机种子 ， 比如2333 ， 我们把这个随机种子进行平方 ， 得到5442889 。 这个数一共有7位 ， 我们给它左边填充一个0变成05442889 ， 最后取出它的中间四位是4428 ， 这就是我们随机得到的结果 。 当我们下次再计算随机数的时候 ， 随机数的种子就成了4428 。
推荐阅读
- 印专家：中国不可怕，可怕的是它都已经领跑6G了各国还在争5G
- 谷歌“跨年夜”Doodle带大家一起倒计时
- 小姐姐们的心头好，这些手机为啥这么受欢迎
- 实体店一箱牛奶50元，为何网上只卖25元
- 笔记本保养有妙招！学会这几招笔记本再战三年
- 觉得自己听力一天不如一天？会是耳机惹得祸吗
- 除了 Markdown 编辑器，你还需要会用程序来处理它
- 详解工程师不可不会的LRU缓存淘汰算法
- 你真的会用iPhone吗？14个iOS实用技巧，你未必都知道
- 小米11取消附赠充电器？响应环保的理由，大家会接受吗？