自作の乱数生成器を乱数分布ライブラリ(std::uniform_int_distribution)で加工する

概要

乱数生成器をカスタム実装し、乱数分布ライブラリ std::uniform_int_distributionと組み合わせて使用する方法を実践的に説明する。

ソースコードについては、https://github.com/youpong/RandomEngine を利用できる。

必要条件

プログラムは、標準規格 C++20 に準拠している。そのため、新しいバージョンの C++ コンパイラーと C++ 標準ライブラリの実装が必要になる。

テスト環境

以下の環境でテストしている。

• macOS 15.2
  • Xcode 16.2 (バンドルされる Apple Clang 16.0.0 を使用)
• Ubuntu 24.04.1 LTS
  • GCC 13.3.0
  • Clang 18.1.3

手順

C++ コンパイラのフラグを設定する

以下の内容の Makefile を用意する。以下の CXXFLAGS の値は clang++ と g++ で共通して
利用できる。

CXXFLAGS = -std=c++20 -Wall -Wextra --pedantic-errors

乱数分布ライブラリで乱数を望みの範囲に加工する

ファイル名 main.cpp で以下の内容を保存する。

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::uniform_int_distribution<int> d(1, 6);
    std::default_random_engine e;

    for (auto i = 0; i != 10; ++i) {
        std::cout << d(e) << " ";
    }
}

実行する

$ make main && make run

実行結果は以下の様になる。
実行結果は環境によって異なるだろう。

2 6 5 1 3 1 1 3 3 3 

乱数生成器をカスタム実装する

先のファイルの先頭に乱数生成器のカスタム実装クラス RandomEngine を加える。

// Implemented by Linear Congruential generator
class RandomEngine
{
public:
    using result_type = unsigned int;
private:
    unsigned int a = 3;
    unsigned int x;
    unsigned int c = 5;
    // int m;
public:
    RandomEngine(unsigned int seed = 0) : x(seed) {}
    result_type operator()() {
        x = a * x + c;
        return x;
    }
    static constexpr result_type min() {
        return 0;
    }
    static constexpr result_type max() {
        return UINT_MAX;
    }
};

実装上のポイント

ここで型エイリアス RandomEngine::result_type が非負で定義されていることに注意。

LLVM のサブプロジェクトlibc++ による C++ 標準ライブラリの実装では、 std::uniform_int_distribution のオブジェクトが引き受ける乱数生成器について、非負の乱数を生成することを求めている。

詳しくは、libc++ プロジェクトの include/__random/is_valid.h で定義されている __libcpp_random_is_valid_urng を参照のこと。

カスタム実装した乱数生成器に置き換える

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::uniform_int_distribution<int> d(1, 6);
    RandomEngine e; // <- 置き換えた

    for (auto i = 0; i != 10; ++i) {
        std::cout << d(e) << " ";
    }
}

実行する

$ make main && make run

実行結果は以下の様になる。
実行結果は環境によって異なるだろう。

6 5 2 1 6 5 2 1 6 5