アルゴリズム

C言語による無作為抽出の実装：疑似乱数とシステム乱数を用いたサンプリング手法を解説

2025-04-15更新日: 2025-04-15

この記事では、C言語を用いて無作為抽出の実装方法を解説します。

疑似乱数生成とシステム乱数の利用それぞれの手法について、基本的な考え方や実際のコード例を通して説明します。

開発環境で気軽に試せる具体的な実装例を交えながら、理解しやすい内容にまとめています。

目次から探す

疑似乱数生成を利用した無作為抽出の実装
システム乱数を活用した無作為抽出の実装
サンプリング手法の比較と選択ポイント
- 疑似乱数とシステム乱数の特徴比較
- 利用シーンに応じた選び方
まとめ

疑似乱数生成を利用した無作為抽出の実装

疑似乱数の基本

疑似乱数とは、あらかじめ決められたアルゴリズムに基づいて算出される乱数で、実際のランダム性に近い値を生成するために利用されます。

数列は初期値(シード値)によって決まるため、同じシード値を設定すると同じ順序の乱数が得られる特徴があります。

この性質を利用して、コンピュータ上で無作為抽出を行う際に、シンプルながらも効率的な方法として用いられることが多いです。

たとえば、基本的な数学モデルとして、乱数生成は以下の漸化式で表現されることがよくあります。

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

ここで、 $a$ は乗数、 $c$ は加算子、 $m$ は法、 $X_{n}$ は前回の乱数となります。

C言語での疑似乱数生成方法

C言語では、標準ライブラリに含まれるrand()関数を利用して疑似乱数を生成します。

以下では、rand()関数の使い方やシード値の設定方法について説明します。

rand()関数の使い方と特徴

rand()関数は、整数型の乱数を返す関数で、返される値は0からRAND_MAXまでの範囲に収まります。

利点として、使い方が簡単である点が挙げられます。
ただし、生成される乱数列はあくまで疑似乱数であり、セキュリティ用途には適さない場合があるため注意が必要です。

また、乱数の分布や周期に関しては、内部アルゴリズムに依存するため、非常に厳密なランダム性は求められない処理に用いるのが一般的です。

シード値の設定と初期化

乱数生成のシード値は、srand()関数を用いて初期化します。

シード値を同じにすると、rand()が出力する乱数列も同じ順序になります。

通常は、現在時刻などをシード値に利用して常に異なる乱数列を生成するようにします。

たとえば、シード値を設定し、疑似乱数で無作為抽出を行うサンプルコードは以下のようになります。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main(void) {
    // 現在時刻をシード値として設定する
    srand((unsigned int)time(NULL));
    // 0から99までの乱数を生成して表示する
    int randomNumber = rand() % 100;  // 乱数範囲は0～99
    printf("生成された疑似乱数: %d\n", randomNumber);
    return 0;
}

生成された疑似乱数: 42

コード例の紹介

先述の説明を元に、rand()関数を使った簡単な無作為抽出の例を以下に示します。

コード内のコメントは日本語で、関数名や変数名は英語表記としています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
// main関数で無作為抽出を実施するサンプルプログラム
int main(void) {
    // 現在時刻をシード値として乱数生成を初期化
    srand((unsigned int)time(NULL));
    // 配列からランダムに要素を抽出する例
    int sampleArray[10] = {10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100};
    int index = rand() % 10;  // 配列のインデックスを乱数で選択
    printf("抽出された要素: %d\n", sampleArray[index]);
    return 0;
}

抽出された要素: 70

システム乱数を活用した無作為抽出の実装

システム乱数の基本

システム乱数は、OSやハードウェアが提供する真の乱数生成機能を利用した方法です。

疑似乱数と異なり、システム乱数は外部のエントロピーを取り入れて生成されるため、予測が困難という特徴があります。

たとえば、UNIX系OSでは/dev/urandomがよく利用され、暗号処理などセキュリティを重視する用途に適しています。

C言語でのシステム乱数利用方法

システム乱数を利用する場合、ファイル操作により/dev/urandomからバイナリデータを読み込む方法や、システムAPIを利用する方法があります。

以下に、それぞれの実装例を説明します。

/dev/urandomを用いた実装例

/dev/urandomはUNIX系システムに存在する乱数生成デバイスで、バイト単位で乱数を取得できます。

C言語では、fopen()やfread()を用いてデータを読み出すことが可能です。

以下に、/dev/urandomから整数値の乱数を取得するサンプルコードを示します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
    // /dev/urandomから乱数を取得するためのファイルポインタ
    FILE *fp = fopen("/dev/urandom", "rb");
    if (fp == NULL) {
        perror("ファイルオープンエラー");
        return 1;
    }
    // 整数型の乱数を取得する
    unsigned int randomValue = 0;
    fread(&randomValue, sizeof(randomValue), 1, fp);
    fclose(fp);
    // 0から99までの乱数に加工する
    int sample = randomValue % 100;
    printf("生成されたシステム乱数: %d\n", sample);
    return 0;
}

生成されたシステム乱数: 57

システムAPIの利用方法

一部のシステムでは、乱数生成専用のAPIが提供されている場合があります。

たとえば、getrandom()というシステムコールを利用できる環境では、これを使ってバイト単位の乱数データを取得することができます。

ただし、ここでは主にファイル操作による方法が広く利用されているため、具体例としては説明を割愛します。

APIを用いる場合でも、基本的な流れは/dev/urandomと同様に、外部のエントロピーを元に乱数を取得し、必要に応じて範囲の調整を行う形になります。

コード例の紹介

以下は、/dev/urandomを使用して無作為抽出を行うサンプルコードです。

このコードでは、ファイルからバイナリデータを読み出し、必要な範囲に乱数を変換する処理を行っています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void) {
    // /dev/urandomファイルを開く
    FILE *fp = fopen("/dev/urandom", "rb");
    if (fp == NULL) {
        perror("ファイルオープンエラー");
        return 1;
    }
    // 乱数データを格納する変数
    unsigned int randomValue = 0;
    fread(&randomValue, sizeof(randomValue), 1, fp);
    fclose(fp);
    // 乱数を0から49の範囲に変換する
    int randomNumber = randomValue % 50;
    printf("抽出されたシステム乱数: %d\n", randomNumber);
    return 0;
}