数値処理

【C言語】randの使い方：擬似乱数生成とシード設定のポイント

2025-01-17更新日: 2025-01-17

この記事では、C言語で擬似乱数を生成するための基本関数であるrandの使い方と、乱数の予測性を防ぐシード設定のポイントを解説します。

実例を交えながら、効果的なシード値の設定方法や、それに伴う挙動の変化についてわかりやすく紹介します。

目次から探す

rand関数の基本理解
擬似乱数生成の仕組み
シード設定のポイント
まとめ

rand関数の基本理解

rand関数の概要

rand関数はC言語に標準で用意されている擬似乱数生成関数です。

乱数の系列を返す仕組みとなっており、呼び出すたびに次の数値が計算されます。

乱数であるため、プログラムの各実行時に異なる値を得られる場合と、シードの設定状態によっては同一の乱数系列が生成される場合があります。

返り値の仕様と制限

rand関数が返すのは0からRAND_MAXまでの整数です。

返り値の範囲は、環境に依存しているため、保証された最小上限は $2^{15} - 1$ になります。
大きい乱数や特定の範囲での乱数が必要な場合、返り値に対して演算処理を行う必要があります。
乱数の質は用途によって十分でない場合があるので、特にセキュリティ用途には適しません。

利用時の注意点

乱数系列はあくまで疑似乱数であるため、決定論的なアルゴリズムに基づいています。
同じシードを使用すると、同じ乱数系列が生成されるため、プログラム実行のたびに異なる結果を得たい場合は、シード設定が重要です。
マルチスレッド環境や高頻度呼び出しの場合、実装によっては性能やスレッドセーフ性に注意が必要です。

擬似乱数生成の仕組み

擬似乱数生成の概念

擬似乱数生成は、数学的なアルゴリズムに基づいて乱数のように見える値を計算する方法です。

これらの乱数は完全なランダム性を持たず、初期パラメータ(シード)により系列が決定されるため、同じシードの場合は常に同じ系列が得られます。

生成アルゴリズムの基礎

擬似乱数生成アルゴリズムには様々な方法がありますが、比較的シンプルに実装できる手法として線形合同法がよく使用されます。

数式で表すと、線形合同法は以下のようになります。

$X_{n + 1} = (a X_{n} + c) \mod m$

ここで、

$X$ は乱数系列の各要素
$a$ は乗数
$c$ は加算定数
$m$ は法(モジュロ)です

適切なパラメータが選ばれると、良い周期性と分布の乱数が得られやすくなります。

線形合同法の原理

線形合同法は、前述の数式に基づいて次の乱数を計算する非常に単純なアルゴリズムです。

パラメータの選定が乱数の品質に大きく影響するため、使用する環境に合わせた設定が必要です。

この原理は、C言語標準のrand関数が採用しているアルゴリズムに似た考え方となっています。

C言語における実装例

以下のサンプルコードは、rand関数を使用して0から99までの乱数を生成する例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
    // 擬似乱数を生成して出力するサンプルコード
    int i;
    for(i = 0; i < 5; i++) {
        // rand関数で乱数を生成し、100で割ったあまりを用いる
        int randomNumber = rand() % 100;
        printf("Random number %d: %d\n", i + 1, randomNumber);
    }
    return 0;
}

Random number 1: 41
Random number 2: 67
Random number 3: 23
Random number 4: 89
Random number 5: 11

シード設定のポイント

シードの役割

シードは擬似乱数生成の初期値として機能します。

同じシードを与えると、生成される乱数系列は必ず同じになります。

そのため、デバッグやテスト時には固定シードを使用し、リリース時には時間に基づく動的シードを用いることが一般的です。

srand関数の使用方法

srand関数を利用することで、乱数生成の初期シードを設定することができます。

正しくシードを設定することで、実行ごとに異なる乱数系列を得たり、逆に同一性を保つことが可能となります。

時間を利用したシード設定

現在の時刻をシードとして使用する場合、time関数が利用されることが一般的です。

以下は、現在の時刻を用いて乱数のシードを設定する例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main(void) {
    // 現在の時刻をシードに設定する
    srand((unsigned int)time(NULL));
    int i;
    for(i = 0; i < 5; i++) {
        int randomNumber = rand() % 100;
        printf("Random number %d: %d\n", i + 1, randomNumber);
    }
    return 0;
}

Random number 1: 73
Random number 2: 34
Random number 3: 88
Random number 4: 12
Random number 5: 56

time関数の具体例

time関数は、UNIXエポックからの経過秒数を返すため、この値をシードに使用することで、異なる実行時に異なるシードを生成することができます。

上記のサンプルコードでは、time(NULL)が用いられ、各実行時に新しい乱数系列が生成されるようになっています。

固定シードの考慮点

シードを固定する場合、常に同一の乱数系列が生成されるため、デバッグやアルゴリズムの挙動確認に有用です。

しかし、同一シードを用いると予測可能な乱数系列となり、外部からの解析や予測が容易になる可能性があるため、本番環境では基本的に避ける必要があります。

シード設定時の注意点

シードは必ず一度だけ設定するようにし、乱数生成のたびに再設定しないように注意してください。
シードの更新が頻繁に行われると、意図しない乱数系列の初期化が発生し、予測可能なパターンが生じる可能性があります。
複数のモジュールやスレッドで乱数を利用する場合、シード設定のタイミングと順序に注意してください。
シード設定により再現性とランダム性のバランスを取ることが重要です。

まとめ

本記事ではC言語におけるrand関数の基本的な仕組みとシード設定の方法について詳しく解説しました。

乱数生成の原理や線形合同法の考え方、そしてシードに基づく乱数系列の再現性について総括的に理解できる内容です。

ぜひ実際にコードを書いて、乱数の挙動やシード設定の効果を確認してみてください。