C++ 隨機數設施

C++ 隨機函式庫將確定性的引擎與分布分開。引擎會在指定輸出範圍內產生均勻分布值的序列。分布會消耗引擎輸出，並將它映射至所要求的統計分布。當狀態必須延續時，請讓兩個物件都保持存活。

cpp

#include <random>

std::mt19937_64 engine{std::random_device{}()};
std::uniform_int_distribution<int> die{1, 6};

int roll = die(engine); // Both engine and distribution may advance state.

std::mt19937 與 std::mt19937_64 是偽隨機引擎：固定的初始狀態會產生可重現的序列。std::default_random_engine 由實作定義，因此當測試、檔案或協定要求不同實作之間使用相同序列時，它並不適用。

依需求設定種子 #

確定性測試應使用明確且有文件記載的種子。當產生的資料必須重現時，請在測試失敗時記錄種子。

cpp

std::mt19937 engine{0x5EEDu};

當實作具有合適來源時，std::random_device 旨在提供非確定性的隨機數，但實作可能提供確定性後備方案。其 entropy() 值是估計值；沒有估計值時可能為零。因此，random_device 適合作為非密碼編譯模擬的盡力式種子來源，而不是可攜式的密碼安全保證。對金鑰、token、salt 與 nonce，請使用作業系統的密碼編譯隨機 API 或經審查的密碼編譯函式庫。

std::seed_seq 可以將數個來源字組擴展至引擎狀態。需要獨立串流時，避免以相同的小整數為數個長期存在的引擎設定種子；請改為建立並記錄串流配置原則。

分布產生有界值而不引入取模偏差 #

請使用能表達所需結果的分布：

cpp

std::uniform_int_distribution<int> index{0, static_cast<int>(size - 1)};
std::bernoulli_distribution enabled{0.25};
std::normal_distribution<double> noise{0.0, 1.0};

uniform_int_distribution 的界限包含端點。建構或設定參數前，請驗證動態界限：a > b 的範圍違反分布的前置條件。不要使用 engine() % n 取得有界均勻結果，除非引擎的輸出範圍可整除 n；否則某些餘數出現的頻率會較高。標準分布會為其指定分布執行必要的拒絕或映射工作。

分布不能與引擎互換。分布可以保留狀態，例如常態分布的實作可能快取產生的值，因此請根據模擬的可重現性需求保留或重設分布狀態。

生命週期、可重現性與序列化 #

以值傳遞引擎會刻意建立分開的序列狀態。當輔助程式必須推進呼叫者的序列時，請以參照傳遞。

cpp

int roll_die(std::mt19937_64& engine) {
    static std::uniform_int_distribution<int> die{1, 6};
    return die(engine);
}

只有在呼叫已同步時，這裡的 static 分布才安全；它可能具有可變狀態。當每個模擬的參數或狀態不同時，最好明確管理分布所有權。

標準引擎支援以格式化串流輸入與輸出狀態，因此能在相同標準引擎規格內支援檢查點。請將引擎型別、種子原則與分布參數和序列化狀態一同保存。序列化序列不是密碼秘密儲存區，專案也不應宣稱超出所選引擎與實作環境保證的跨版本可重現性。

並行 #

引擎與分布物件是可變狀態，未同步時不得並行修改。當串流彼此獨立時，為每個執行緒提供自己的引擎與分布；若需要單一有序序列，則使用互斥鎖保護共用產生器。執行緒區域產生器需要刻意的種子原則；將相同種子直接複製到每個執行緒會建立相關且相同的串流，而不是平行隨機性。