C++ 中 PRNG 的默认随机引擎为 class 的每个实例生成相同的输出 - 正确的种子？
Default random engine for PRNG in C++ generates same output for every instance of a class - proper seed?
我对伪 运行dom 数字生成 (PRNG) 没有经验，但最近我一直在考虑它，因为我想测试一些东西并且手动生成数据很困难而且 f运行kly 很容易出错。
我有以下 class:
#include <QObject>
#include <QList>
#include <QVector3D>
#include <random>
#include <functional>
// TaskCommData is part of a Task instance (a QRunnable).
// It contains all the data required for partially controlling the runnable
// and what it processes inside its run() method
class TaskCommData : public QObject
{
friend class Task;
Q_OBJECT
// Property is used to abort the run() of the Task and also signal the TaskManager that the Task has changed its running status
Q_PROPERTY(bool running
READ isRunning
WRITE setRunningStatus
NOTIFY signalRunningStatusChanged)
public:
QString getId() const; // Task ID
bool isRunning() const;
signals:
void signalRunningStatusChanged(QString id, bool running);
public slots:
void slotAbort();
private:
bool running;
QList<QVector3D> data; // Some data in the form of a list of 3D vectors
QString id;
// PRNG related members
std::default_random_engine* engine;
std::uniform_int_distribution<>* distribution;
std::function<int()> dice;
// Private constructor (don't allow creation of TaskCommData outside the Task class which instantiates the class as its class member
explicit TaskCommData(QString id, QObject *parent = 0);
void setRunningStatus(bool running);
QList<QVector3D>* getData();
void generateData();
};
此对象是在基于 Qt 5.7 的应用程序中创建并附加到一组 QRunnable 的。重要部分如下：
#include <QDebug>
#include "TaskCommData.h"
// ...
TaskCommData::TaskCommData(QString _id, QObject *parent)
: QObject(parent),
running(false),
id(_id)
{
this->engine = new std::default_random_engine();
this->distribution = new std::uniform_int_distribution<int>(0, 1);
this->dice = std::bind(*this->distribution, *this->engine);
generateData();
}
// ...
void TaskCommData::generateData()
{
QString s;
s += QString("Task %1: Generated data [").arg(this->id);
for(int i = 0; i < 10; ++i) {
this->data.append(QVector3D(dice(), dice(), dice())); // PROBLEM occurs here but it's probably just the aftermath
s += "[" + QString::number(this->data.at(i).x()) + ","
+ QString::number(this->data.at(i).y()) + ","
+ QString::number(this->data.at(i).z()) + "]";
}
s += "]";
qDebug() << s;
}
初始化后，我从 qDebug() 得到以下输出（我创建了 Task 的 10 个实例，实例化了 TaskCommData - 每个任务一个）：
"Task task_0: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_0" (sleep: 0)
"Task task_1: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_1" (sleep: 1315)
"Task task_2: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_2" (sleep: 7556)
"Task task_3: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_3" (sleep: 4586)
"Task task_4: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_4" (sleep: 5328)
"Task task_5: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_5" (sleep: 2189)
"Task task_6: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_6" (sleep: 470)
"Task task_7: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_7" (sleep: 6789)
"Task task_8: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_8" (sleep: 6793)
"Task task_9: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_9" (sleep: 9347)
你可能已经从输出中猜到了，我希望有更多的多样性（显然不可能 那么多 多样性，因为一个数据块（QVector3D）包含 3 个二进制值），这里显然出了问题。
您可能还注意到输出中的 (sleep: ...)。这是来自我的 TaskManager class 的输出，它创建了一堆 Tasks 和它们各自的 TaskCommDatas:
void TaskManager::initData()
{
// Setup PRNG
std::default_random_engine generator;
std::uniform_int_distribution<int> distribution(0,10000); // Between 0 and 10000ms
auto dice = std::bind(distribution, generator);
this->tasks.reserve(this->taskCount);
qDebug() << "Adding" << this->taskCount << "tasks...";
int msPauseBetweenChunks = 0;
for(int taskIdx = 0; taskIdx < this->taskCount; ++taskIdx) {
msPauseBetweenChunks = dice();
Task* task = new Task("task_" + QString::number(taskIdx), msPauseBetweenChunks);
task->setAutoDelete(false);
const TaskCommData *taskCommData = task->getCommData();
// Manage connections
connect(taskCommData, SIGNAL(signalRunningStatusChanged(QString, bool)),
this, SLOT(slotRunningStatusChanged(QString, bool)));
connect(this, SIGNAL(signalAbort()),
taskCommData, SLOT(slotAbort()));
this->tasks.insert(task->getCommData()->getId(), task);
qDebug() << "Added task " << task->getCommData()->getId() << " (sleep: " << msPauseBetweenChunks << ")";
}
emit signalCurrentlyRunningTasks(this->tasksRunning, this->taskCount);
}
这里我有同样的东西（虽然不是 class 成员）并且它有效（运行ge 不同但仍然）。
最初我的 void TaskCommData::generateData() 中有相同的代码片段（与 运行dom 号码生成相关的代码片段；TaskManager::initData()），即引擎、分发和计时器在一旦它们 运行 超出范围，就会堆叠并销毁。结果是一样的 - 一遍又一遍地重复同一组 运行dom 数字。
然后我确定问题出在种子上（这里描述缺少可能更合适）。所以我将代码更改为：
// ...
std::chrono::nanoseconds nanoseed = std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch());
qDebug() << "Setting PRNG engine to seed" << nanoseed.count();
this->engine = new std::default_random_engine();
this->engine->seed(nanoseed.count());
this->distribution = new std::uniform_int_distribution<int>(0, 1);
this->dice = std::bind(*this->distribution, *this->engine);
generateData();
// ...
我得到了稍微好一点的结果：
Setting PRNG engine to seed 1473233571281947000
"Task task_0: Generated data [[1,0,0][0,1,1][0,0,0][0,1,1][1,0,0][1,0,0][0,0,1][1,1,1][1,0,0][1,0,0]]"
Added task "task_0" (sleep: 0 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571282947700
"Task task_1: Generated data [[1,0,1][1,0,0][1,0,1][0,0,1][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,0][0,1,0][0,1,0]]"
Added task "task_1" (sleep: 1315 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571282947700
"Task task_2: Generated data [[1,0,1][1,0,0][1,0,1][0,0,1][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,0][0,1,0][0,1,0]]"
Added task "task_2" (sleep: 7556 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571283948400
"Task task_3: Generated data [[0,0,1][1,0,1][0,1,1][1,1,1][1,0,0][0,0,0][0,0,1][1,1,0][0,1,1][0,0,1]]"
Added task "task_3" (sleep: 4586 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571283948400
"Task task_4: Generated data [[0,0,1][1,0,1][0,1,1][1,1,1][1,0,0][0,0,0][0,0,1][1,1,0][0,1,1][0,0,1]]"
Added task "task_4" (sleep: 5328 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571284950700
"Task task_5: Generated data [[0,0,0][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,1][1,0,0][1,0,0][1,0,1][0,0,0][0,0,0]]"
Added task "task_5" (sleep: 2189 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571284950700
"Task task_6: Generated data [[0,0,0][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,1][1,0,0][1,0,0][1,0,1][0,0,0][0,0,0]]"
Added task "task_6" (sleep: 470 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571285950800
"Task task_7: Generated data [[0,0,0][1,0,0][0,1,1][1,0,0][1,0,1][0,1,0][1,0,1][0,1,0][1,1,0][0,0,1]]"
Added task "task_7" (sleep: 6789 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571285950800
"Task task_8: Generated data [[0,0,0][1,0,0][0,1,1][1,0,0][1,0,1][0,1,0][1,0,1][0,1,0][1,1,0][0,0,1]]"
Added task "task_8" (sleep: 6793 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571286950900
"Task task_9: Generated data [[1,0,1][1,1,1][1,0,0][1,1,0][0,1,1][0,0,0][1,0,1][1,0,1][0,0,0][1,0,1]]"
Added task "task_9" (sleep: 9347 )
虽然还是有太多的重复（似乎生成了相同的数据对）。这也有一个巨大的缺点，即它受制于 TaskCommData 对象的创建速度以及创建此 class 的两个实例之间的时间。创建速度越快，用 std::chrono::system_clock::now()) 测得的差异越小。这似乎不是生成种子的好方法（当然我可能弄错了 :D）。
知道如何解决这个问题吗？即使问题出在种子上，我仍然不明白为什么在 TaskManager::initData() 中一切正常，而在这里却没有那么多。
所以，是的，第一种情况是正确的：如果您使用相同（默认）种子为所有 PRNG 播种，它们必须产生相同的数字序列。这就是他们设计的目的。
在你的第二种情况下，你使用基于时间的种子，你注意到这也不是很好，因为你实际上只得到三个不同的种子值，你也注意到这不是令人惊讶的是，不同的种子大致在同一时间生成。所以，这是另一个说明为什么基于时间的种子通常不好的例子。老实说，我不知道为什么我们仍然教那个。根据时间播种是个好主意的情况实际上非常罕见¹，如果我想一想，只要您需要的东西实际上是从外部无法预测的。如果您不需要真正不可预测，任何静态种子都可以。
那么，事情就是这样：简单地使用您的任务编号作为种子怎么样？这样，您就可以保证拥有与任务一样多的不同 PRN 序列。如果你需要在不同的运行中有不同的值，你仍然可以先取一个基于时间的随机数（或者更好：向你的 OS 询问一个随机数！）并再次将任务编号添加到其中给你保证不同的序列。
¹ 基于时间的播种一直是 大量 未经授权访问背后的安全问题。典型示例：一些联网的过程控制系统有一个 Web 界面，您需要登录该界面。然后您会得到一个带有秘密会话 ID 的 cookie。唯一的问题是这个会话 ID 只是一个受已知 "stringifier" 约束的随机数，并且 RNG 是用实际用户登录时的时间播种的。因为确定设备时间通常很容易，并且很容易猜出登录可能发生的时间范围，该会话 ID 远非秘密，并且通常可以通过极少量的尝试来暴力破解。
我对伪 运行dom 数字生成 (PRNG) 没有经验，但最近我一直在考虑它，因为我想测试一些东西并且手动生成数据很困难而且 f运行kly 很容易出错。
我有以下 class:
#include <QObject>
#include <QList>
#include <QVector3D>
#include <random>
#include <functional>
// TaskCommData is part of a Task instance (a QRunnable).
// It contains all the data required for partially controlling the runnable
// and what it processes inside its run() method
class TaskCommData : public QObject
{
friend class Task;
Q_OBJECT
// Property is used to abort the run() of the Task and also signal the TaskManager that the Task has changed its running status
Q_PROPERTY(bool running
READ isRunning
WRITE setRunningStatus
NOTIFY signalRunningStatusChanged)
public:
QString getId() const; // Task ID
bool isRunning() const;
signals:
void signalRunningStatusChanged(QString id, bool running);
public slots:
void slotAbort();
private:
bool running;
QList<QVector3D> data; // Some data in the form of a list of 3D vectors
QString id;
// PRNG related members
std::default_random_engine* engine;
std::uniform_int_distribution<>* distribution;
std::function<int()> dice;
// Private constructor (don't allow creation of TaskCommData outside the Task class which instantiates the class as its class member
explicit TaskCommData(QString id, QObject *parent = 0);
void setRunningStatus(bool running);
QList<QVector3D>* getData();
void generateData();
};
此对象是在基于 Qt 5.7 的应用程序中创建并附加到一组 QRunnable 的。重要部分如下：
#include <QDebug>
#include "TaskCommData.h"
// ...
TaskCommData::TaskCommData(QString _id, QObject *parent)
: QObject(parent),
running(false),
id(_id)
{
this->engine = new std::default_random_engine();
this->distribution = new std::uniform_int_distribution<int>(0, 1);
this->dice = std::bind(*this->distribution, *this->engine);
generateData();
}
// ...
void TaskCommData::generateData()
{
QString s;
s += QString("Task %1: Generated data [").arg(this->id);
for(int i = 0; i < 10; ++i) {
this->data.append(QVector3D(dice(), dice(), dice())); // PROBLEM occurs here but it's probably just the aftermath
s += "[" + QString::number(this->data.at(i).x()) + ","
+ QString::number(this->data.at(i).y()) + ","
+ QString::number(this->data.at(i).z()) + "]";
}
s += "]";
qDebug() << s;
}
初始化后，我从 qDebug() 得到以下输出（我创建了 Task 的 10 个实例，实例化了 TaskCommData - 每个任务一个）：
"Task task_0: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_0" (sleep: 0)
"Task task_1: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_1" (sleep: 1315)
"Task task_2: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_2" (sleep: 7556)
"Task task_3: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_3" (sleep: 4586)
"Task task_4: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_4" (sleep: 5328)
"Task task_5: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_5" (sleep: 2189)
"Task task_6: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_6" (sleep: 470)
"Task task_7: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_7" (sleep: 6789)
"Task task_8: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_8" (sleep: 6793)
"Task task_9: Generated data [[1,0,0][0,1,0][1,1,0][1,0,1][0,0,1][0,1,1][0,0,0][1,1,1][0,1,1][1,0,1]]"
Added task "task_9" (sleep: 9347)
你可能已经从输出中猜到了，我希望有更多的多样性（显然不可能 那么多 多样性，因为一个数据块（QVector3D）包含 3 个二进制值），这里显然出了问题。
您可能还注意到输出中的 (sleep: ...)。这是来自我的 TaskManager class 的输出，它创建了一堆 Tasks 和它们各自的 TaskCommDatas:
void TaskManager::initData()
{
// Setup PRNG
std::default_random_engine generator;
std::uniform_int_distribution<int> distribution(0,10000); // Between 0 and 10000ms
auto dice = std::bind(distribution, generator);
this->tasks.reserve(this->taskCount);
qDebug() << "Adding" << this->taskCount << "tasks...";
int msPauseBetweenChunks = 0;
for(int taskIdx = 0; taskIdx < this->taskCount; ++taskIdx) {
msPauseBetweenChunks = dice();
Task* task = new Task("task_" + QString::number(taskIdx), msPauseBetweenChunks);
task->setAutoDelete(false);
const TaskCommData *taskCommData = task->getCommData();
// Manage connections
connect(taskCommData, SIGNAL(signalRunningStatusChanged(QString, bool)),
this, SLOT(slotRunningStatusChanged(QString, bool)));
connect(this, SIGNAL(signalAbort()),
taskCommData, SLOT(slotAbort()));
this->tasks.insert(task->getCommData()->getId(), task);
qDebug() << "Added task " << task->getCommData()->getId() << " (sleep: " << msPauseBetweenChunks << ")";
}
emit signalCurrentlyRunningTasks(this->tasksRunning, this->taskCount);
}
这里我有同样的东西（虽然不是 class 成员）并且它有效（运行ge 不同但仍然）。
最初我的 void TaskCommData::generateData() 中有相同的代码片段（与 运行dom 号码生成相关的代码片段；TaskManager::initData()），即引擎、分发和计时器在一旦它们 运行 超出范围，就会堆叠并销毁。结果是一样的 - 一遍又一遍地重复同一组 运行dom 数字。
然后我确定问题出在种子上（这里描述缺少可能更合适）。所以我将代码更改为：
// ...
std::chrono::nanoseconds nanoseed = std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch());
qDebug() << "Setting PRNG engine to seed" << nanoseed.count();
this->engine = new std::default_random_engine();
this->engine->seed(nanoseed.count());
this->distribution = new std::uniform_int_distribution<int>(0, 1);
this->dice = std::bind(*this->distribution, *this->engine);
generateData();
// ...
我得到了稍微好一点的结果：
Setting PRNG engine to seed 1473233571281947000
"Task task_0: Generated data [[1,0,0][0,1,1][0,0,0][0,1,1][1,0,0][1,0,0][0,0,1][1,1,1][1,0,0][1,0,0]]"
Added task "task_0" (sleep: 0 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571282947700
"Task task_1: Generated data [[1,0,1][1,0,0][1,0,1][0,0,1][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,0][0,1,0][0,1,0]]"
Added task "task_1" (sleep: 1315 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571282947700
"Task task_2: Generated data [[1,0,1][1,0,0][1,0,1][0,0,1][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,0][0,1,0][0,1,0]]"
Added task "task_2" (sleep: 7556 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571283948400
"Task task_3: Generated data [[0,0,1][1,0,1][0,1,1][1,1,1][1,0,0][0,0,0][0,0,1][1,1,0][0,1,1][0,0,1]]"
Added task "task_3" (sleep: 4586 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571283948400
"Task task_4: Generated data [[0,0,1][1,0,1][0,1,1][1,1,1][1,0,0][0,0,0][0,0,1][1,1,0][0,1,1][0,0,1]]"
Added task "task_4" (sleep: 5328 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571284950700
"Task task_5: Generated data [[0,0,0][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,1][1,0,0][1,0,0][1,0,1][0,0,0][0,0,0]]"
Added task "task_5" (sleep: 2189 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571284950700
"Task task_6: Generated data [[0,0,0][1,1,0][0,0,1][0,0,1][0,1,1][1,0,0][1,0,0][1,0,1][0,0,0][0,0,0]]"
Added task "task_6" (sleep: 470 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571285950800
"Task task_7: Generated data [[0,0,0][1,0,0][0,1,1][1,0,0][1,0,1][0,1,0][1,0,1][0,1,0][1,1,0][0,0,1]]"
Added task "task_7" (sleep: 6789 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571285950800
"Task task_8: Generated data [[0,0,0][1,0,0][0,1,1][1,0,0][1,0,1][0,1,0][1,0,1][0,1,0][1,1,0][0,0,1]]"
Added task "task_8" (sleep: 6793 )
Setting PRNG engine to seed 1473233571286950900
"Task task_9: Generated data [[1,0,1][1,1,1][1,0,0][1,1,0][0,1,1][0,0,0][1,0,1][1,0,1][0,0,0][1,0,1]]"
Added task "task_9" (sleep: 9347 )
虽然还是有太多的重复（似乎生成了相同的数据对）。这也有一个巨大的缺点，即它受制于 TaskCommData 对象的创建速度以及创建此 class 的两个实例之间的时间。创建速度越快，用 std::chrono::system_clock::now()) 测得的差异越小。这似乎不是生成种子的好方法（当然我可能弄错了 :D）。
知道如何解决这个问题吗？即使问题出在种子上，我仍然不明白为什么在 TaskManager::initData() 中一切正常，而在这里却没有那么多。
所以，是的，第一种情况是正确的：如果您使用相同（默认）种子为所有 PRNG 播种，它们必须产生相同的数字序列。这就是他们设计的目的。
在你的第二种情况下，你使用基于时间的种子，你注意到这也不是很好，因为你实际上只得到三个不同的种子值，你也注意到这不是令人惊讶的是，不同的种子大致在同一时间生成。所以，这是另一个说明为什么基于时间的种子通常不好的例子。老实说，我不知道为什么我们仍然教那个。根据时间播种是个好主意的情况实际上非常罕见¹，如果我想一想，只要您需要的东西实际上是从外部无法预测的。如果您不需要真正不可预测，任何静态种子都可以。
那么，事情就是这样：简单地使用您的任务编号作为种子怎么样？这样，您就可以保证拥有与任务一样多的不同 PRN 序列。如果你需要在不同的运行中有不同的值，你仍然可以先取一个基于时间的随机数（或者更好：向你的 OS 询问一个随机数！）并再次将任务编号添加到其中给你保证不同的序列。
¹ 基于时间的播种一直是 大量 未经授权访问背后的安全问题。典型示例：一些联网的过程控制系统有一个 Web 界面，您需要登录该界面。然后您会得到一个带有秘密会话 ID 的 cookie。唯一的问题是这个会话 ID 只是一个受已知 "stringifier" 约束的随机数，并且 RNG 是用实际用户登录时的时间播种的。因为确定设备时间通常很容易，并且很容易猜出登录可能发生的时间范围，该会话 ID 远非秘密，并且通常可以通过极少量的尝试来暴力破解。