探究Go語言的隨機數

一、隨機數的概念

隨機數是計算機中常使用的一種數值，它的產生具有不可預知性。隨機數廣泛應用於加密、模擬和統計學等領域。在Go語言中，隨機數可以用math/rand包實現，利用各種方法使隨機性進一步增強。

二、偽隨機數生成器PRNG

在Go語言中，math/rand包提供了偽隨機數生成器的函數，其中最常用的就是Intn(n)函數，可以產生一個[0,n)的偽隨機整數。PRNG以種子值作為初始值，根據數學公式計算不同的隨機數。由於具有確定性，所以稱為偽隨機數。

package main

import (
	"fmt"
	"math/rand"
	"time"
)

func main() {
	rand.Seed(time.Now().UnixNano())
	fmt.Println(rand.Intn(10))
}

運行上述代碼，輸出的結果是0~9的偽隨機整數，由於使用了UnixNano()將納秒級別的時間戳作為種子值，保證每次生成的隨機數都不同。可以通過Seed()函數手動設置種子值。

三、真隨機數生成器

相較於偽隨機數，真隨機數是真正的隨機數，能夠保證具有不可預知性。Go語言中提供了crypto/rand包，可以用於生成真隨機數。

package main

import (
	"crypto/rand"
	"fmt"
	"math/big"
)

func main() {
	n, err := rand.Int(rand.Reader, big.NewInt(100))
	if err != nil {
		fmt.Println("出錯了")
	}
	fmt.Println(n)
}

運行上述代碼，將產生一個範圍在0~99的真隨機整數。在生成真隨機數時，必須指定特定的種子值，這裡使用了cryptographic random generator實現安全產生真隨機數。

四、使用多個goroutine

在並行計算中，需要產生多個隨機數，每個goroutine都需要產生不同的隨機數，可以使用rand.New()函數為每個goroutine創建一個獨立種子的PRNG。

package main

import (
	"fmt"
	"math/rand"
	"sync"
	"time"
)

func worker(id int, wg *sync.WaitGroup) {
	defer wg.Done()

	r := rand.New(rand.NewSource(time.Now().UnixNano()))

	for i := 0; i < 5; i++ {
		fmt.Printf("Worker %d: %d\n", id, r.Intn(100))
		time.Sleep(time.Millisecond * 100)
	}
}

func main() {
	var wg sync.WaitGroup

	for i := 0; i < 5; i++ {
		wg.Add(1)
		go worker(i, &wg)
	}

	wg.Wait()
}

運行上述代碼，會輸出5個goroutine生成的隨機數。這裡每個goroutine都使用了一個獨立的PRNG，因此產生的隨機數的序列會不同。

五、結合時間的使用

在Go語言中，可以將時間結合到隨機數產生中，可以根據時間戳計算出不同的種子值，並將其用作PRNG的初始值。

package main

import (
	"fmt"
	"math/rand"
	"time"
)

func main() {
	rand.Seed(time.Now().UnixNano())

	for i := 0; i < 5; i++ {
		fmt.Println(rand.Intn(100))
		time.Sleep(time.Millisecond * 100)
	}
}

運行上述代碼，每隔100毫秒將會產生一個0~99範圍內的隨機數。這裡使用UnixNano()函數產生納秒級別的時間戳，作為種子值，每次運行程序將產生不同的隨機數序列。

六、總結

Go語言中提供了math/rand和crypto/rand包，分別用於產生偽隨機數和真隨機數。在多個goroutine環境下，可以為每個goroutine創建獨立的PRNG來產生隨機數。時間也可以結合隨機數產生中，利用時間戳產生不同的種子值，進一步增強隨機數生成的隨機性。