随机数生成器:是否应将其用作单例

Random Number Generator: Should it be used as a singleton?

本文关键字：单例 是否 随机数生成器      更新时间：2023-10-16

我在多个地方使用随机数，通常在需要时构建一个随机数生成器。目前，我使用Marsaglia Xorshift算法，用当前系统时间为其播种。现在我对这个策略有一些疑问：如果我使用多个生成器，生成器之间的数字的独立性(随机性)取决于种子(相同种子相同的数字)。由于我使用时间(ns)作为种子，并且由于这个时间发生了变化，所以这是可行的，但我想知道是否只使用一个奇异生成器并将其作为单例提供会更好。这会提高随机数的质量吗？

编辑：不幸的是，c++11还不是一个选项

编辑：更具体地说：我并不是说单例可以提高随机数的质量，而是说只有一个生成器被使用和播种。否则，我必须确保不同生成器的种子是独立的(随机的)。极端例子：我用完全相同的数字播种两个生成器->它们之间没有随机性

假设您有几个变量，每个变量都需要是随机的，独立于其他变量，并且会定期从某个随机生成器中重新分配一个新的随机值。这种情况在蒙特卡洛分析和博弈中经常发生(尽管博弈的严谨性远低于蒙特卡洛)。如果存在一个完美的随机数生成器，可以使用它的单个实例化。将生成器中的n伪随机数分配给变量x<1>，下一个随机数分配到变量x2、下一个分配到x3等等，最终在下一个周期返回到变量x1。围绕这里有一个问题：太多的PRNG在独立性测试中失败了，当以这种方式使用时，独立性测试也失败了，有些甚至在单个序列的随机性测试中也失败了。

我的方法是使用单个PRNG生成器作为自包含PRNG的一组N实例的种子生成器。后一种PRNG的每个实例都提供一个变量。所谓自包含，我的意思是PRNG是一个对象，在实例成员中而不是在静态成员或全局变量中维护状态。种子生成器甚至不需要与其他NPRNG来自同一家族。在多个线程同时尝试使用种子生成器的情况下，它只需要是可重入的。然而，在我的使用中，我发现最好在线程开始之前设置PRNG，以确保可重复性。这是一次跑步，一次执行。蒙特卡洛技术通常需要数千次执行，也许更多，也许更多。对于蒙特卡罗，可重复性至关重要。因此，还需要另一个随机种子生成器。这一个种子生成器用于为变量生成N生成器。

可重复性很重要，至少在蒙特卡洛世界是如此。假设长蒙特卡罗模拟的第10234次运行导致了一些大规模故障。如果能看到世界上发生了什么，那就太好了。这可能是统计上的侥幸，也可能是个问题。问题是，在典型的MC设置中，只记录最少量的数据，仅足以计算统计数据。要查看第10234次运行中发生了什么，需要重复该特定情况，但现在要记录所有内容。

当客户端相互关联并且代码需要"独立"的随机数时，您应该使用随机生成器类的相同实例。

当客户端不相互依赖，并且它们是否接收到相同的数字也无关紧要时，可以使用随机生成器类的不同对象。

请注意，对于测试和调试来说，能够再次创建相同的随机数序列是非常有用的。因此，你不应该"随意播种"太多。

我不认为这会增加随机性，但它会减少每次使用随机生成器时创建对象所需的内存。如果这个生成器没有任何特定于实例的设置，您可以创建一个singleton。

由于我使用时间(ns)作为种子，并且由于这个时间发生了变化，所以这是可行的，但我想知道是否只使用一个奇异生成器并将其作为单例使用会更好。

当singleton不是反模式时，这是一个很好的例子。你也可以使用某种反向控制。

这会提高随机数的质量吗？

否。质量取决于生成随机数的算法。你如何使用它是无关紧要的(假设它使用正确)。

编辑：您可以创建某种容器，其中包含RNG类的对象(或使用现有容器)。类似这样的东西：

std::vector< Rng > & RngSingleton()
{
static std::vector< Rng > allRngs( 2 );
return allRngs;
}
struct Rng
{
void SetSeed( const int seen );
int GenerateNumber() const;
//...
};
// ...
RngSingleton().at(0).SetSeed( 55 );
RngSingleton().at(1).SetSeed( 55 );
//...
const auto value1 = RngSingleton().at(0).GenerateNumber;
const auto value2 = RngSingleton().at(1).GenerateNumber;

工厂模式救援。客户端永远不应该担心其依赖关系的实例化规则。它允许交换创建方法。反过来，如果您决定使用不同的算法，您可以交换生成器类，客户端不需要重构。http://www.oodesign.com/factory-pattern.html

--编辑

添加了伪代码(对不起，它不是c++，自从我上次在它工作以来，它已经很久了)

interface PRNG{
function generateRandomNumber():Number;
}
interface Seeder{
function getSeed() : Number;
}
interface PRNGFactory{
function createPRNG():PRNG;
}
class MarsagliaPRNG implements PRNG{
constructor( seed : Number ){
//store seed
}
function generateRandomNumber() : Number{
//do your magic
}
}
class SingletonMarsagliaPRNGFactory implements PRNGFactory{
var seeder : Seeder;
static var prng : PRNG;
function createPRNG() : PRNG{
return prng ||= new MarsagliaPRNG( seeder.getSeed() );
}
}
class TimeSeeder implements Seeder{
function getSeed():Number{
return now();
}
}
//usage:
seeder : Seeder = new TimeSeeder();
prngFactory : PRNGFactory = new SingletonMarsagliaPRNGFactory();
clientA.prng = prngFactory.createPRNG();
clientB.prng = prngFactory.createPRNG();
//both clients got the same instance.

现在最大的优势是，如果您想要/需要更改任何实现细节，那么客户端中就不必更改任何内容。您可以更改播种方法、RNG算法和实例化规则，而不必在任何地方接触任何客户端。

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