在编译时用C++生成随机数

Question

我正在尝试random在编译时使用C++ 11的库预先计算随机值.我主要是按照例子.我在这做错了什么？

using namespace std;
#include <iostream>
#include <vector>
#include <random>

vector<double> rands;
typedef std::mt19937_64 RNG;
uint64_t seed_val;
RNG rng; 

void initialize() {
     rng.seed(seed_val);
}

constexpr vector<double> generate_random( )                 //size_t numbers)
{   
    int numbers = 1000;
    std::uniform_real_distribution<double> zero_one(0.0, 1.0);
        for (unsigned int i = 0; i < numbers; i++) { 
             double rand_num = zero_one(rng);
             rands.push_back( rand_num );
    }
    return rands;
}

int main()
{
    cout << "TMP rands";
    for_each( rands.begin(), rands.end(), [] (double value)
    {
        cout<<value<<endl;
    });
}

这是一个从这里无耻地窃取的编译时随机数生成器的示例,但认为它对于查看此内容的任何人都有用:

template<u32 S, u32 A = 16807UL, u32 C = 0UL, u32 M = (1UL<<31)-1>
struct LinearGenerator {
    static const u32 state = ((u64)S * A + C) % M;
    static const u32 value = state;
    typedef LinearGenerator<state> next;
    struct Split { // Leapfrog
        typedef LinearGenerator< state, A*A, 0, M> Gen1;
        typedef LinearGenerator<next::state, A*A, 0, M> Gen2;
    };
};

Answer 1

只有constexpr功能和常量表达式可以在编译的时候进行评估.这排除了<chrono>和<random>.

您可以做的是访问__TIME__预处理器宏并定义由单行constexpr函数组成的自己的PRNG .

Answer 2

有一篇关于这个主题的研究论文:用于C++模板元程序的随机数生成器, 包含用于__TIME__技巧的代码片段.它还谈到支持不同的随机数引擎和分布作为正交选择.

Answer 3

我会尝试从外部来源获取它。一个非常简单的例子是使用编译命令中定义的宏变量来编译程序。这$RANDOM是unix/linux系统中一个特殊的内置变量，它自动返回一个随机的16位数字。

g++ -D__RANDOM__=$RANDOM yourprog.cpp -o yourprog

//yourprog.cpp
#include <iostream>
int main() {
  std::cout << "Random variable " << __RANDOM__ << std::endl;
  return 0;
}

您还可以编写自己的脚本或可执行文件来分配给宏变量。

//DevRandomGenerator.cpp
#include <iostream>
#include <fstream>

class DevRandom {
private:
    std::ifstream stream;
public:

    DevRandom() {
        stream.open("/dev/urandom",std::ios::in|std::ios::binary);
    }

    unsigned int unsignedInt() {
        unsigned int u = 0;
        stream.read((char*)&u, sizeof(unsigned int));
        return u;
    }
};

int main() {
  DevRandom rand;
  std::cout << rand.unsignedInt() << std::endl;
  return 0;
}

然后编译为：

g++ DevRandomGenerator.cpp -o DevRandomGenerator
g++ -D__RANDOM__="$(./DevRandomGenerator)" yourprog.cpp -o yourprog

更好的随机生成器是编写一个使用音频和视觉输入的程序。

Answer 4

我知道这个问题已经有五年了，并且已经有了公认的答案。即便如此，我想补充一点，在编译时生成随机数当然是可能的，前提是每次运行程序时都会得到相同的随机数序列。简单来说，如果在编译时种子已知，那么编译器就可以计算出将输出什么随机数，然后将程序变成“输出这个数字序列”。

编译器对其优化的积极程度有限制，所以我不能保证它们总是会进行这种替换，并且我怀疑任何编译器都能够对像 Mersenne Twister 这样复杂的东西进行替换，但是像这样更简单的linear_congruential_engine东西有机会（而且，确保它发生的唯一方法是让编译器输出汇编代码，然后查看汇编代码）。

我知道这是可能的，因为我实现了一个随机生成器，random_device该生成器是使用Marsaglia 的 Xorshift 算法建模的。由于 Marsaglia 的论文实际上包含了多种相关算法，因此我让该类采用模板参数来选择要使用的轮班模式。我想知道编译器是否会优化switch我使用的语句。我忘记传递种子，因此编译器使用默认值，即种子在编译时已知。当我查看汇编代码时，不仅没有了switch，而且GCC已经将程序优化为“输出这三个数字”。

问题中列出的程序的最终版本从未实际调用函数来生成数字序列，也从未调用函数来为生成器提供种子。这个版本会做到这一点，但我怀疑它会变成“打印这个随机数序列”。

#include <algorithm>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <random>

int get_seed()
{
    int hour = std::atoi(__TIME__);
    int min = std::atoi(__TIME__ + 3);
    int sec = std::atoi(__TIME__ + 6);
    return 10000 * hour + 100 * min + sec;
}

int main()
{
    // get_seed() returns an int based on __TIME__ (a string literal
    // set by the preprocessor), which is known at compile time.
    //
    // Also, w/r/t the engines in <random>: not setting a seed explicitly
    // will use a default seed, which is known at compile time.  So if
    // you're OK getting the same sequence of numbers for any compilation,
    // then "std::mt19937_64 rng;" may be all you need.
    std::mt19937_64 rng(get_seed());
    std::uniform_real_distribution<double> zero_one(0.0, 1.0);
    const int COUNT = 1000;
    std::generate_n(std::ostream_iterator<double>(std::cout, "\n"), COUNT,
        [&rng, &zero_one]() { return zero_one(rng); });
    return 0;
}