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C語言亂數生成教學：原理、範例與實用應用指南

標準函式庫
目次

1. 前言

在程式設計中，亂數有著各種用途，尤其在 C 語言中被廣泛使用。亂數是一個重要的概念，可應用於遊戲情節生成、隨機抽樣、資料洗牌等多種場景。本文將詳細解說在 C 語言中生成亂數的方法，並提供實際應用範例，幫助您更深入理解 C 語言的亂數生成並拓展其應用範圍。

2. 什麼是亂數

亂數與偽亂數的概念

亂數是指無法預測的數值，一般是在特定範圍內隨機生成。然而，電腦所生成的亂數實際上是所謂的「偽亂數」，它是根據特定規則產生，因此並非完全隨機。由於偽亂數是透過演算法生成的，如果使用相同的種子值（初始值），將會產生相同順序的亂數。

3. 在 C 語言中生成亂數的方法

C 語言的標準函式庫提供了生成亂數的函式。這裡將詳細介紹主要使用的 rand() 函式、RAND_MAX 常數，以及設定種子值的 srand() 函式。

rand() 函式的基礎

rand() 函式是 C 語言中用來生成亂數的基本函式。它會隨機回傳一個介於 0 到 RAND_MAX 之間的整數。RAND_MAX 是函式庫中定義的常數，會依系統或環境而不同，但通常為 32767。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int random_number = rand();
    printf("Random number: %dn", random_number);
    return 0;
}

上述程式碼中，使用 rand() 函式生成一個 0 到 32767 之間的隨機整數並輸出。

使用 srand() 函式設定種子值

由於 rand() 函式是依據種子值生成亂數，若不設定種子值，每次執行程式會得到相同的亂數序列。為避免此情況，可使用 srand() 設定種子值，常見做法是將當前時間作為種子。

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

int main() {
    srand((unsigned int) time(NULL));  // 以當前時間初始化種子
    int random_number = rand();
    printf("Random number: %dn", random_number);
    return 0;
}

在此範例中，time(NULL) 取得當前時間並作為種子值設定，確保每次執行程式時生成不同的亂數。

生成特定範圍內的亂數

若要在特定範圍內（例如 1 到 10）生成亂數，可如下操作：

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

int main() {
    srand((unsigned int) time(NULL));
    int min = 1;
    int max = 10;
    int random_number = min + rand() % (max - min + 1);
    printf("Random number between %d and %d: %dn", min, max, random_number);
    return 0;
}

此程式會生成 1 到 10 之間的隨機數值，透過 rand() % (max - min + 1) 來確保數值落在指定範圍。

4. 亂數生成的應用範例

以下介紹幾個使用亂數的實際應用。

骰子模擬

可透過生成 1 到 6 的隨機數來模擬擲骰子的結果。

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

int main() {
    srand((unsigned int) time(NULL));
    int dice_roll = 1 + rand() % 6;
    printf("Dice roll: %dn", dice_roll);
    return 0;
}

此程式會輸出一個介於 1 到 6 的隨機數字作為擲骰子的結果。

陣列洗牌

將陣列元素隨機排列，可透過隨機交換元素來實現洗牌。

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

void shuffle(int *array, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        int j = rand() % size;
        int temp = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = temp;
    }
}

int main() {
    srand((unsigned int) time(NULL));
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    int size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

    shuffle(array, size);

    printf("Shuffled array: ");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("n");

    return 0;
}

此程式會隨機交換陣列元素，達到洗牌的效果。

遊戲開發中的應用

在遊戲開發中，亂數可用於敵人出現位置、道具生成等，增加不可預測性，讓玩家體驗更真實。

5. 生成亂數時的注意事項

rand() 函式的限制

rand() 函式雖足以應付基礎亂數生成，但因為是偽亂數，會有固定週期。在大量生成亂數時，可能會出現週期性模式，若需完全隨機性，則不適用。

多執行緒環境的問題

在多執行緒環境下使用 rand()，可能因為多個執行緒使用相同的種子值而生成相同的亂數。因此需確保每個執行緒使用不同的種子值。

使用高品質的亂數生成器

C++ 與其他語言提供了更高品質的亂數生成器。在 C 語言中雖選擇有限，但可使用 random() 函式或梅森旋轉演算法（mt19937）等更進階的演算法。

6. 總結

本文介紹了在 C 語言中生成亂數的方法，並展示了實際程式碼範例與應用方式。雖然 rand() 在基礎應用上非常方便，但在需要完全隨機性的場合必須謹慎使用。