實際中常用的一個隨機數產生器（分類別概率隨機）

這是剛做完的一小段代碼，經測試已經無誤，呵呵，這裡share給大家看看，有朋友覺得有用，可以拿去用。 這個程序解決的問題如下： 已知一件事物有幾種狀態，每種狀態出現的概率不一樣，要求做一個隨機數產生器，返回狀態值，要求狀態值出現的規律，符合輸入的概率。 這是小弟上午問我的問題，我們正在做一個工業測試模型，實際的例子是，根據實際情況，某種設備返回的狀態概率符合下表： 設備狀態 百分比 1 12% 2 40% 3 40% 4 7% 5 1% 要求寫段代碼，模擬設備的上述行為。 我下午上班想了一下，花了半個小時為他寫了一個隨機數產生器，經測試，0bug，呵呵。他現在正在用。 Code:

1. #define CTonyRandomArea_TOKEN_MAX 100           //最大類型數   
2. #define CTonyRandomArea_TOKEN_AREA_MAX 10000    //類型數組單元數，精確到小數點後兩位   
3. //輸入最大100個元素的數組，每個數組表示每類占有的百分比，內部自帶百分比調整。   
4. //即如果外部輸入的數字之和不是整數100，內部會根據百分比，自動調整其比例，使總和=100.0   
5. //然後內部建立10000個單元的類型數組，根據傳入的每種類型的比例，在類型數組中批量填充對應的類型值   
6. //總之，類型數組中每種類型的數量，占據的比例正好是輸入的百分比   
7. //最後，在0~10000中取隨機，然後在對應的類型數組單元中取類型值，即為返回的類型   
8. class CTonyRandomArea   
9. {   
10. public:   
11.     CTonyRandomArea(double* pTokenPercentArray,char cTokenCount)   
12.     {   
13.         m_nTokenCount=cTokenCount;   
14.         if(CTonyRandomArea_TOKEN_MAX<m_nTokenCount)   
15.             m_nTokenCount=CTonyRandomArea_TOKEN_MAX;   
16.         int i=0;   
17.         for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)   
18.         {   
19.             m_dTokenPercentArray[i]=*(pTokenPercentArray+i);   
20.         }   
21.         //動態調整內部的值   
22.         //有時候試驗人員，測得幾個狀態出現的數字，可能懶得再計算成百分比   
23.         //程序幫忙自動計算   
24.         double dNumberCount=0;   
25.         for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)   
26.         {   
27.             dNumberCount+=m_dTokenPercentArray[i];   
28.         }   
29.         if(100.0!=dNumberCount)   
30.         {   
31.             for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)   
32.             {   
33.                 m_dTokenPercentArray[i]/=dNumberCount; 
34.                 m_dTokenPercentArray[i]*=100;
    
35.             }   
36.         }   
37.         //以小數點後兩位精度，開始計算在10000個總單元中，每種類型對應的數量。   
38.         for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)   
39.         {   
40.             m_sTokenPercentArray[i]=(short)(m_dTokenPercentArray[i]*100);   
41.         }   
42.   
43.         //按比例填充類型數組   
44.         int j=0;   
45.         int nFillMin=0;   
46.         int nFillMax=0;   
47.         for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)   
48.         {   
49.             m_cTokenPercentArrayAreaUp[i]=-1;   
50.         }   
51.   
52.         for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)   
53.         {   
54.             nFillMax=nFillMin+m_sTokenPercentArray[i];   
55.             for(j=nFillMin;j<nFillMax;j++)   
56.             {   
57.                 m_cTokenPercentArrayAreaUp[j]=i;   
58.             }   
59.             nFillMin=nFillMax;   
60.         }   
61. //      m_cTokenPercentArrayAreaUp[CTonyRandomArea_TOKEN_AREA_MAX-1]=i-1;   
62.     }   
63.     ~CTonyRandomArea(){}   
64.     void PrintfInfo(void)   
65.     {   
66.         int i=0;   
67.         double dNumberCount=0;   
68.         for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)   
69.         {   
70.             dNumberCount+=m_dTokenPercentArray[i];   
71.             printf("%d = %f\n",i,m_dTokenPercentArray[i]);   
72.         }   
73.         printf("All = %f\n",dNumberCount);   
74.   
75.         //打印10000個單元的類型分布，看看排得對不對   
76.         //這段打印起來太長，一般隱掉，需要了再打印   
77. //      int nOutMax=400;   
78. //      int nInMax=25;      //二者相乘為10000   
79. //      int j=0;   
80. //      for(i=0;i<nOutMax;i++)   
81. //      {   
82. //          printf("%05d - ",i*nInMax);   
83. //          for(j=0;j<nInMax;j++)   
84. //          {   
85. //              printf("%d ",m_cTokenPercentArrayAreaUp[i*nInMax+j]);   
86. //          }   
87. //          printf("\n");   
88. //      }   
89.     }   
90.   
91.     //取類型數組對應單元的值   
92.     char GetType(int nTypeIndex)    //輸入參數0~10000   
93.     {   
94.         if(10000<=nTypeIndex) nTypeIndex=9999;   
95.         if(0>nTypeIndex) nTypeIndex=0;   
96.         return m_cTokenPercentArrayAreaUp[nTypeIndex];   
97.     }   
98.     //真實的工作函數，利用輸入的概率來產生隨機type   
99.     char GetRandomType(void)   
100.     {   
101.         return GetType(GetRandomBetween(0,10000));   
102.     }   
103. private:   
104.     double m_dTokenPercentArray[CTonyRandomArea_TOKEN_MAX];             //比例數組   
105.     short m_sTokenPercentArray[CTonyRandomArea_TOKEN_MAX];              //比例數組,短整型，1~10000，相當於精確到小數點後兩位   
106.     char m_nTokenCount;   
107.     char m_cTokenPercentArrayAreaUp[CTonyRandomArea_TOKEN_AREA_MAX];    //類型數組   
108. };   
109. //這是測試代碼   
110. void TestCTonyRandomArea(void)   
111. {   
112.     double dTokenPercentArray[100];   
113.   
114.     dTokenPercentArray[0]=12.0;   
115.     dTokenPercentArray[1]=40.0;   
116.     dTokenPercentArray[2]=40.0;   
117.     dTokenPercentArray[3]=7.0;   
118.     dTokenPercentArray[4]=1.0;   
119.   
120.     CTonyRandomArea Area1(dTokenPercentArray,5);   
121.     Area1.PrintfInfo();   
122.   
123.     int i=0;   
124.     for(i=0;i<20;i++)   
125.     {   
126.         printf("RandType = %d\n",Area1.GetRandomType());   
127.     }   
128. }  

其實這個原理很簡單： 1、我先從外部導入一個比例列表，在100以內的數組單元，每個單元裡面放置一個double值，相當於對應類別的比例。這樣，我預設最大有100種狀態，具體本次試驗有多少種狀態，即100個狀態比例數組多少個單元是有效的，看構造函數的第二個參數，就是這個參數輸入的。 2、這裡面我做了點人性化考慮，因為很多時候，我們測試的設備狀態是直接的采樣值，即每種狀態出現了多少次，懶得計算成百分比，因此，我內部自動幫他重新計算一遍百分比。這樣用起來很方便。 3、我根據各種類型的比例，內部准備一個10000個單元的大數組，我根據每種狀態的比例，在這個數組中填充足夠的狀態數，這樣，構建了一個比例分配表。這實際上是把計算精度放大到小數點後兩位，即99.99%這種精度 4、我真正提供隨機數的函數，是在0~10000中取值，即隨機命中比例分配表的某個單元，這個單元取出來是哪種狀態，就返回哪種狀態。由於比例分配表決定了各種狀態被命中的比例，因此，我返回值是符合出現比例的。 5、最後我給了一個測試函數TestCTonyRandomArea，這是我團隊的規矩，任何人寫一個模塊，必須同時提供相應的白盒測試函數，並將測試結果展示給使用者看，作為驗收標准，即“你必須自己證明自己的工作是有效的，並接受檢驗”，我這個leader也不能例外。 6、PrintfInfo函數也是我團隊的規矩，位於底層的類，有責任提供一個PrintInfo函數，供調用者隨時查閱你的內部數據，“把你的數據暴露給大家看，想出來混江湖，就不怕裸奔被人看！”，呵呵《0bug-C/C++商用工程之道》裡面很多類都有這個函數的。 嗯，中間有個GetRandomBetween這個函數，就是《0bug-C/C++商用工程之道》這本書P199頁的源代碼，這裡我也給一份Copy，另外，其工作原理，有興趣的讀者可以看看書中的描述。 Code:

1. inline int _GetNot0(void)   
2. {   
3.     int nRet=rand();   
4.     if(!nRet) nRet++;   
5.     return nRet;   
6. }   
7. inline int GetRandomBetween(int nBegin,int nEnd)   
8. {   
9.     int n=_GetNot0();   
10.     int nBetween=0;   
11.     if(0>nBegin) nBegin=-nBegin;   
12.     if(0>nEnd) nEnd=-nEnd;   
13.     if(nBegin>nEnd)   
14.     {   
15.         nBetween=nEnd;   
16.         nEnd=nBegin;   
17.         nBegin=nBetween;   
18.     }   
19.     else if(nBegin==nEnd)   
20.         nEnd=nBegin+10;   
21.     nBetween=nEnd-nBegin;   
22.     n=n%nBetween;   
23.     n+=nBegin;   
24.     return n;   
25. }  

上述代碼是我匆忙寫的，屬於測試用代碼，不完全符合0bug一書裡面的C/C++無錯化程序設計原則，各位讀者請注意哈。 不過，雖然是測試代碼，但是帶了很多工程型代碼的影子，大家有興趣可以看看。 另外，上述代碼沒有做鎖封裝，但是，仍然是多線程安全的。大家有注意到沒有？ 因為其工作原理是查表法，所有的表構造時一次生成，以後僅僅是純讀，請《0bug-C/C++商用工程之道》的讀者注意2.3.6節，P50頁的論述，“用鎖的最高境界--不用”，這裡符合第1條特例，“針對一個資源的所有操作都是讀的時候，可以不加鎖”。我這段代碼可以算作實例了。各位讀者可以參考一下。 好吧，就這麼多，大家有興趣可以看看。 嗯，有人可能說，這裡的隨機數產生器沒有使用srand初始化，記住，我在用我自己的工程庫，也就是《0bug-C/C++商用工程之道》的工程庫，工程庫的init動作裡面已經做過這種動作了。 代碼是VS2008下測試的，不過，我的理解，應該是跨平台的。 上述代碼在很多游戲開發中可以投入實用的。 比如說，某個NPC哨兵，他可能在某個時刻，看前後左右，或者抽煙，或者睡覺，或者和另一個哨兵聊天，這時候，可以用這個隨機數產生器，根據預設的每種動作的概率，權重，隨時求出他的行為種類，並予以展示。 再或者，暗黑裡面，我們使用暗金的裝備，每次攻擊，有百分之多少的概率出現壓碎性打擊，有多少概率出現冰凍屬性，等等，也可以用這個隨機數產生器來求。 大家慢慢想吧，呵呵。 嗯，這裡網友發現一處bug，我已經修改了，請昨天看過的朋友注意： Code:

1. if(100.0!=dNumberCount)       
2. {       
3.     for(i=0;i<m_nTokenCount;i++)       
4.     {       
5.         m_dTokenPercentArray[i]/=dNumberCount;     
6.         m_dTokenPercentArray[i]*=100;  //這裡少乘了個100，百分比動態調整失效，因此，我加上了這一句。   
7.     }       
8. }       

 這段代碼出來後，一些網友表示看不懂我的原意，我們在CSDN博客有一些問答，我覺得對大家理解本程序的設計思路有幫助，因此，整理了一下，摘錄在這裡： 網友問：if(100.0!=dNumberCount) 浮點數直接用等於作比較是不正確的
我答：通常的做法是if((100.0-dNumberCount)<0.00000001)，我知道的，不過，我為什麼這麼寫，你看得懂嗎？
網友問：不懂，老師教教吧，謝謝
我答：這裡主要的目的是否定，是為了驗證所有輸入的double數加起來不是100.0，然後內部重新計算一次。由於外部人員輸入，通常都不是正好100.0，因此，這裡使用否定的嚴厲校驗，即只要不是絕對==100.0，內部就重新計算。看好了，我是否定嚴厲，不是肯定嚴厲，因此不用教科書做法。
網友問：同意這樣直接比較在此處也不會產生錯誤，我還是有如下觀點： 1. 這樣嚴厲的否定可能會拒絕一些本可以接受的輸入，當然概率比較小，而且即使拒絕了也頂多是多計算一下，不會有bug 2. 即使是通過代碼中的“自動調整其比例“的計算以後，仍然有可能會出發您的”否定嚴厲“ 所以我認為還是不應該用直接比較。 3. (100.0-dNumberCount)<0.00000001 這樣的比較還是不合適的，一是要用絕對值，當然這裡可能是您忘記寫了；二是0.00000001的取定要推敲，用float.h中提供的常數宏更好
我答：嗯，你說的有理，我下回注意，呵呵。不過，你說的計算後仍然有否定嚴厲誤差的問題，看我61行，我寫那行代碼的目的就是為了彌補這個誤差的。不過後來看了沒有誤差，所以就隱掉了。
網友問：不是我挑錯，但我總覺的你的代碼顯的很長。好多沒必要。比如 GetRandomBetween函數，其實很簡單。 GetRandomBetween(int nBegin,int nEnd) { int n = abs(nBegin); int nBetween= abs(nEnd) - n; if(nBetween < 0) { n = abs(nEnd); } if(nBetween == 0) nBetween = 10; n += _GetNot0(); return n; } 這樣不是更簡潔點麼？完成的功能是完全一樣的。
我答：把每句話盡量簡化，簡化到大家看起來一目了然的時候，程序就不容易出錯。你的方案，一句話裡面有多個計算，很繞。不是每個項目成員都有你的水平的。
網友問：再比如，你的 GetType和GetRandomType這2個函數，完全可以結合成一個嘛。 char GetType(int nTypeIndex) //輸入參數0~10000 { return m_cTokenPercentArrayAreaUp[GetRandomBetween(0,10000)]; } 注意，這裡的GetRandomBetween(0,10000)返回范圍，就是0-9999. 這樣不是簡單多了？
我答：看下面，是故意拆分的，留兩個api，給別人一個中間查表的切入點。
網友問：哦。原來是故意拆分的。
網友問：還有一點，為什麼程序中，有好多char和short來替代int？這樣有什麼好處？是為了節約空間麼？我認為，char和short在做參數傳進傳出，或者與int比較時，每次都要擴展為int，還不如直接用int好。在32位系統中，用int最快了。 只是自己的一些看法，有說的不對的，我們互相學習。
我答：嗯，看在你說出互相學習這句話，我回答你的問題：這段代碼之所以寫得像你說的這麼繁瑣，是為了盡可能提供api給使用者用，就是我小弟，他覺得用得方便。因為他是用戶。我必須站在用戶的需求角度設計api，方便調用。因此，很多稍微復雜一點的api函數，我會盡量拆細，每一步都提供一個函數接口給用戶用。用不用在他，但是我盡量給全。
 api接口設計，應該站在用戶使用方便來設計的。反而是我的構造函數很復雜，是因為這些是我內部動作，我要屏蔽，無須通報外部，這體現高內聚，低耦合的原則。
 char和short確實是為了節約空間考慮，因為裡面有個10000個單元的大數組，用char是10k，用int是40k。
網友問：這麼考慮的話也可以。我感覺在這種情況的話，用unsigned char會不會更好？
我答：我預設100個類型，<127，char的正數范圍足以。
網友問：我倒是感覺這次的需求這麼簡單，沒必要給更多的中間接口。設計以需求為目標，不是程序員覺的客戶怎麼方便怎麼設計，有很多接口，客戶也許根本用不到。反而造成不必要的設計，程序復雜度上升。
我答：這個算我個人習慣吧，基礎模塊的公有接口我習慣留得越多越好，越簡單越好，最好每個接口一句話。這樣，哪天有新需求，省的我改接口。因為這類基礎模塊的使用者，通常就是我團隊成員，大家這麼做也習慣了。不過，對外的接口，還是應該越少越好，這是原則，比如功能層向業務層輸出的接口，和其他小組的接口，暴露越少越好。不同的需求導致不同的設計。
 最後再補充一點，你有想過這個程序的效率沒有？它用查表法，你可以和普通計算法比較一下，每個都跑個1000萬次，你就看出時間差別了。而且，它不用鎖，並行環境和串行環境效率一樣高。
網友問：查表法肯定比每次都計算省時間。但第一次構造要花時間，而且犧牲一部分空間。就你這次的實現來看，用查表法是對的。
我答：實話跟你講吧，這段代碼是有前提的，我們要做5000萬條記錄，中間有20萬個設備的記錄，每個設備的采樣頻率不一樣，我要並發模擬，你再想想我寫這麼復雜有道理沒？
  最後，還有網友反映，構造函數太復雜，看不懂，我這裡也解釋一下。當時情況比較急，小弟趕著用，我也沒時間精雕細琢這個代碼，所以，構造函數寫得就很復雜，基本上想到哪寫到哪。 這個函數的設計，並不符合《0bug-C/C++商用工程之道》第三章的“C/C++無錯化設計原則”，所以看起來就難懂。看見沒，只要不符合這個原則，只要一個函數內有多個循環主體，即多個邏輯意思，大家看起來就混亂。 希望大家以後開發引以為戒，盡量還是寫簡單的程序。 =======================================================
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