C#-.NET Framework:随机数生成器产生重复模式

编辑:这不是重复的,也不是对如何使用随机数生成器的天真的误解的结果。 谢谢。

我似乎在System.Random类生成的数字中发现了一种重复模式。 我正在使用“主”随机实例为第二个“主”随机实例生成种子。 此主要Random实例产生的值表现出重复模式。 特别是,产生的第三个数字是非常可预测的。

下面的程序演示了该问题。 请注意,每次循环使用不同的种子值。

using System;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
            // repeat experiment with different master RNGs
        for (int iMaster = 0; iMaster < 30; ++iMaster)
        {
                // create master RNG
            var rngMaster = new Random(iMaster + OFFSET);

                // obtain seed from master RNG
            var seed = rngMaster.Next();

                // create main RNG from seed
            var rngMain = new Random(seed);

                // print 3rd number generated by main RNG
            var ignore0 = rngMain.Next(LIMIT);
            var ignore1 = rngMain.Next(LIMIT);
            var randomNumber = rngMain.Next(LIMIT);
            Console.WriteLine(randomNumber);
        }
    }

    const int OFFSET = 0;
    const int LIMIT = 200;
}

我认为这应该产生随机输出,但是我盒子上的实际输出是:

84
84
84
84
84
84
84
84
84
84
84
...

谁能解释这是怎么回事? 更改OFFSET和LIMIT常数会更改输出值,但它总是重复的。

brianberns asked 2020-06-27T14:50:03Z
3个解决方案
53 votes

欢迎来到非密码强大的RNG的世界。 显然,如果将其输出限制为0到200,则内置.NET RNG倾向于使它输出的第三个数字为84。 看一下该程序的以下版本,它显示了输出中正在发生的更多情况。

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WindowWidth = 44;
        Console.WindowHeight = 33;
        Console.BufferWidth = Console.WindowWidth;
        Console.BufferHeight = Console.WindowHeight;

        string template = "|{0,-5}|{1,-11}|{2,-5}|{3,-5}|{4,-5}|{5,-5}|";
        Console.WriteLine(template, "s1", "s2", "out1", "out2", "out3", "out4");
        Console.WriteLine(template, new String('-', 5), new String('-', 11), new String('-', 5), new String('-', 5), new String('-', 5), new String('-', 5));

        // repeat experiment with different master RNGs
        for (int iMaster = 0; iMaster < 30; ++iMaster)
        {
            int s1 = iMaster + OFFSET;
            // create master RNG
            var rngMaster = new Random(s1);

            // obtain seed from master RNG
            var s2 = rngMaster.Next();

            // create main RNG from seed
            var rngMain = new Random(s2);

            var out1 = rngMain.Next(LIMIT);
            var out2 = rngMain.Next(LIMIT);
            var out3 = rngMain.Next(LIMIT);
            var out4 = rngMain.Next(LIMIT);
            Console.WriteLine(template, s1, s2, out1, out2, out3, out4);
        }

        Console.ReadLine();
    }

    const int OFFSET = 0;
    const int LIMIT = 200;
}

这是输出

|s1   |s2         |out1 |out2 |out3 |out4 |
|-----|-----------|-----|-----|-----|-----|
|0    |1559595546 |170  |184  |84   |84   |
|1    |534011718  |56   |177  |84   |123  |
|2    |1655911537 |142  |171  |84   |161  |
|3    |630327709  |28   |164  |84   |199  |
|4    |1752227528 |114  |157  |84   |37   |
|5    |726643700  |0    |150  |84   |75   |
|6    |1848543519 |86   |143  |84   |113  |
|7    |822959691  |172  |136  |84   |151  |
|8    |1944859510 |58   |129  |84   |189  |
|9    |919275682  |144  |122  |84   |28   |
|10   |2041175501 |30   |115  |84   |66   |
|11   |1015591673 |116  |108  |84   |104  |
|12   |2137491492 |2    |102  |84   |142  |
|13   |1111907664 |88   |95   |84   |180  |
|14   |86323836   |174  |88   |84   |18   |
|15   |1208223655 |60   |81   |84   |56   |
|16   |182639827  |146  |74   |84   |94   |
|17   |1304539646 |31   |67   |84   |133  |
|18   |278955818  |117  |60   |84   |171  |
|19   |1400855637 |3    |53   |84   |9    |
|20   |375271809  |89   |46   |84   |47   |
|21   |1497171628 |175  |40   |84   |85   |
|22   |471587800  |61   |33   |84   |123  |
|23   |1593487619 |147  |26   |84   |161  |
|24   |567903791  |33   |19   |84   |199  |
|25   |1689803610 |119  |12   |84   |38   |
|26   |664219782  |5    |5    |84   |76   |
|27   |1786119601 |91   |198  |84   |114  |
|28   |760535773  |177  |191  |84   |152  |
|29   |1882435592 |63   |184  |84   |190  |

因此,主RND的第一个输出与从第一个链接的第二个RNG的前几个输出之间有很强的相关性。 Random RNG并非设计为“安全”,而是设计为“快速”,因此,您在此处看到的是在快速和安全之间进行权衡。 如果您不希望发生这种情况,则需要使用加密安全的随机数生成器。

但是,仅切换到加密随机数生成器(CRNG)是不够的,您仍然需要注意如何使用CRNG。 WEP无线安全性也发生了非常类似的问题。 根据标头中提供的IV,可以预测随机数生成器的种子值(WEP密钥)用于保护连接。 尽管他们使用了CRNG(他们使用了RC4),但并没有正确使用它(在输出变得不可预测之前,您必须吐出1000次迭代)。

Scott Chamberlain answered 2020-06-27T14:50:28Z
3 votes

自己运行代码后,看起来好像为第3个元素返回的值-不管种子是多么严重的缺陷。 我对您的代码进行了如下修改,以使其更加灵活:

public static void TestRNG()
{
    const int OFFSET = 0;
    const int LIMIT = 200;
    const int RndCount = 50;
    const int FieldsPerLine = 10;
    int Rnd;
    for (int iMaster = 0; iMaster < RndCount; ++iMaster)
    {
        // create master RNG
        var rngMaster = new Random(iMaster + OFFSET);

        // obtain seed from master RNG
        var seed = rngMaster.Next();

        // create main RNG from seed
        var rngMain = new Random(seed);

        // print 3rd number generated by main RNG
        Console.WriteLine();
        for (int Loop = 0; Loop < FieldsPerLine; Loop++)
        {
            Rnd = rngMain.Next(LIMIT);
            Console.Write(Rnd.ToString().PadLeft(3) + " ");
        }
    }
}

输出看起来像这样:

170 184  84  84   5 104 164 113 181 147
 56 177  84 123 150 132 149  56 142  88
142 171  84 161  94 160 134 199 102  28
 28 164  84 199  39 189 119 141  62 168
114 157  84  37 184  17 105  84  23 108
  0 150  84  75 129  45  90  27 183  48
 86 143  84 113  74  74  75 169 144 188
172 136  84 151  18 102  60 112 104 129
 58 129  84 189 163 130  46  55  64  69
144 122  84  28 108 159  31 197  25   9
 30 115  84  66  53 187  16 140 185 149
116 108  84 104 198  15   1  82 145  89
  2 102  84 142 142  44 186  25 106  29
 88  95  84 180  87  72 172 168  66 170
174  88  84  18  32 100 157 110  26 110
 60  81  84  56 177 129 142  53 187  50
146  74  84  94 121 157 127 196 147 190
 31  67  84 133  66 185 113 138 108 130
117  60  84 171  11  14  98  81  68  70
  3  53  84   9 156  42  83  24  28  11
 89  46  84  47 101  70  68 166 189 151
175  40  84  85  45  99  54 109 149  91
 61  33  84 123 190 127  39  51 109  31
147  26  84 161 135 155  24 194  70 171
 33  19  84 199  80 184   9 137  30 112
119  12  84  38  25  12 195  79 190  52
  5   5  84  76 169  40 180  22 151 192
 91 198  84 114 114  69 165 165 111 132
177 191  84 152  59  97 150 107  71  72
 63 184  84 190   4 125 136  50  32  12
149 177  84  28 148 154 121 193 192 153
 35 171  84  66  93 182 106 135 153  93
121 164  84 104  38  10  91  78 113  33
  7 157  84 143 183  39  77  20  73 173
 93 150  84 181 128  67  62 163  34 113
179 143  84  19  72  95  47 106 194  53
 65 136  84  57  17 124  32  48 154 194
151 129  84  95 162 152  18 191 115 134
 37 122  84 133 107 180   3 134  75  74
123 115  84 171  52   9 188  76  35  14
  9 108  84  10 196  37 173  19 196 154
 95 102  84  48 141  65 158 162 156  95
181  95  84  86  86  94 144 104 117  35
 66  88  84 124  31 122 129  47  77 175
152  81  84 162 176 150 114 189  37 115
 38  74  84   0 120 179  99 132 198  55
124  67  84  38  65   7  85  75 158 195
 10  60  84  76  10  35  70  17 118 136
 96  53  84 115 155  64  55 160  79  76
182  46  84 153  99  92  40 103  39  16

过去我看到的代码示例不使用从Random.Next方法返回的前3或4个值。 现在我知道为什么了。 因此,一种简单的解决方法是丢弃从Random.Next方法返回的前4个值。

如果您对也会产生高质量随机数的非常快速的随机数生成器感兴趣,那么请查看TinyMT项目-我是从原始C代码移植过来的。

Bob Bryan answered 2020-06-27T14:51:02Z
1 votes

这仅是评论,但需要空间。 我仅在SO文本框中将缩进和注释手动添加到DotLisp代码中。 该代码是相同的,除了它是使用(.Next (Random. i))作为种子,还是仅使用i作为种子本身,以及是否随机检查第三或第四位.Next

我现在没有再次检查,但我相信每个.Next x总是会检索一个新样本并将该结果转换为.Next x.Next之间的值。

之所以使用.Next x,是因为查看的范围更小,更像.Next x的种子,我发现第三个.Next是“均匀”随机的,但有两个“均匀”比率。 较小选择值的较小范围是大约177至190个连续数。 (您可以通过在最后一行中调用(print-histo h)来看到,但要减少测试的种子数:-)。当我增加种子数时,我会增加此范围。

该代码只是为每个.Next x结果累加一个计数,并显示这些计数的计数。 对于真正的均匀随机数.Next x,这应产生一条漂亮的钟形曲线,如最后一种情况所示(第四种.Next,顺序种子)。

(let (h (Hashtable.))
 (dotimes i 6553600
  (lets
   (s (.Next (Random. i))
    r (Random. s)) ; using random seed
   (dotimes j 2 r.Next) ; skipping 2 results
   (let (x (r.Next (* 15 183)))
    (x h (+ 1 (or (x h) 0))))))
 (print-histo (histo h.Values)))
  1 2368
  3 2369
 11 2370
 20 2371
 11 2372
 12 2373
 17 2374
 15 2375
  8 2376
 13 2377
 20 2378
 11 2379
  3 2380
  8 2382
 94 2383
253 2384
296 2385
240 2386
248 2387
238 2388
233 2389
252 2390
236 2391
321 2392
163 2393
 18 2394

倾斜的钟形曲线和另一条较小的钟形曲线,或仅是非常不均匀的尾巴。

(let (h (Hashtable.))
 (dotimes i 6553600
  (lets
   (s (.Next (Random. i))
    r (Random. s)) ; using random seed
   (dotimes j 3 r.Next) ; skipping 3 results
   (let (x (r.Next (* 15 183)))
    (x h (+ 1 (or (x h) 0))))))
 (print-histo (histo h.Values)))
 11 2377
 43 2378
 90 2379
114 2380
138 2381
133 2382
132 2383
143 2384
127 2385
147 2386
130 2387
136 2388
145 2389
223 2390
430 2391
354 2392
177 2393
 72 2394

两条钟形曲线,一宽一窄。

(let (h (Hashtable.))
 (dotimes i 6553600
  (let (r (Random. i)) ; using sequential seed
   (dotimes j 2 r.Next) ; skipping 2 results
   (let (x (r.Next (* 15 183)))
    (x h (+ 1 (or (x h) 0))))))
  (print-histo (histo h.Values)))
 12 2380
104 2381
143 2382
123 2383
106 2384
 55 2385
115 2386
387 2387
511 2388
537 2389
454 2390
194 2391
  4 2392

有效的是两个钟形曲线。

(let (h (Hashtable.))
 (dotimes i 6553600
  (let (r (Random. i)) ; using sequential seed
   (dotimes j 3 r.Next) ; skipping 3 results
   (let (x (r.Next (* 15 183)))
   (x h (+ 1 (or (x h) 0))))))
 (print-histo (histo h.Values)))
 18 2384
154 2385
432 2386
758 2387
798 2388
477 2389
105 2390
  3 2391

最后是一条简单的钟形曲线。

总而言之,看起来好像有两个单独的问题:第三个样本总体上不是很统一,并且第一个样本产生的种子要么强调了问题,要么显示了另一个问题。

Mark Hurd answered 2020-06-27T14:51:58Z
translate from https://stackoverflow.com:/questions/25390301/net-framework-random-number-generator-produces-repeating-pattern