Mô phỏng chức năng `random.random()` của Python trong C

Question

Tôi đang cố gắng tạo ra chính xác cùng một Mersenne Twister (MT) trong C được sử dụng trong Python.

Dựa trên Lib/random.py cũng như đọc the docs, nó có vẻ như toàn bộ MT được thực hiện trong _random được thực hiện trong C:

The underlying implementation in C is both fast and threadsafe. 

Bởi googling "Python _random", tôi thấy this page on GitHub mà có vẻ là chính xác những gì tôi đang tìm kiếm, mặc dù nó không có vẻ là chính thức.

Tôi đã sử dụng mã nguồn đó và loại bỏ mọi thứ ngoại trừ bản thân MT, hàm hạt giống và chức năng tạo kép. Tôi cũng đã thay đổi một số loại để số nguyên sẽ là 32 bit.

Thứ nhất, đây là những thông tin giấy phép (chỉ để được an toàn)

/* Random objects */ 

/* ------------------------------------------------------------------ 
    The code in this module was based on a download from: 
     http://www.math.keio.ac.jp/~matumoto/MT2002/emt19937ar.html 
    It was modified in 2002 by Raymond Hettinger as follows: 
    * the principal computational lines untouched. 
    * renamed genrand_res53() to random_random() and wrapped 
     in python calling/return code. 
    * genrand_int32() and the helper functions, init_genrand() 
     and init_by_array(), were declared static, wrapped in 
     Python calling/return code. also, their global data 
     references were replaced with structure references. 
    * unused functions from the original were deleted. 
     new, original C python code was added to implement the 
     Random() interface. 
    The following are the verbatim comments from the original code: 
    A C-program for MT19937, with initialization improved 2002/1/26. 
    Coded by Takuji Nishimura and Makoto Matsumoto. 
    Before using, initialize the state by using init_genrand(seed) 
    or init_by_array(init_key, key_length). 
    Copyright (C) 1997 - 2002, Makoto Matsumoto and Takuji Nishimura, 
    All rights reserved. 
    Redistribution and use in source and binary forms, with or without 
    modification, are permitted provided that the following conditions 
    are met: 
    1. Redistributions of source code must retain the above copyright 
    notice, this list of conditions and the following disclaimer. 
    2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright 
    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the 
    documentation and/or other materials provided with the distribution. 
    3. The names of its contributors may not be used to endorse or promote 
    products derived from this software without specific prior written 
    permission. 
    THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS 
    "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT 
    LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR 
    A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER OR 
    CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, 
    EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, 
    PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR 
    PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF 
    LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING 
    NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS 
    SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE. 
    Any feedback is very welcome. 
    http://www.math.keio.ac.jp/matumoto/emt.html 
    email: matumoto@math.keio.ac.jp 
*/ 

/* ---------------------------------------------------------------*/ 

Đây là tước xuống tập tin tiêu đề (với tất cả mọi thứ Python loại bỏ).

mt.h:

#ifndef MT_H 
#define MT_H 

#include <stdint.h> 

#define N 624 
#define M 397 
#define MATRIX_A 0x9908b0dfUL /* constant vector a */ 
#define UPPER_MASK 0x80000000UL /* most significant w-r bits */ 
#define LOWER_MASK 0x7fffffffUL /* least significant r bits */ 

typedef struct { 
     uint32_t state[N]; 
     uint32_t index; 
} RandomObject; 

static uint32_t 
genrand_int32(RandomObject *self) 
{ 
    uint32_t y; 
    static uint32_t mag01[2]={0x0UL, MATRIX_A}; 
    /* mag01[x] = x * MATRIX_A for x=0,1 */ 
    uint32_t *mt; 

    mt = self->state; 
    if (self->index >= N) { /* generate N words at one time */ 
     uint32_t kk; 

     for (kk=0;kk<N-M;kk++) { 
      y = (mt[kk]&UPPER_MASK)|(mt[kk+1]&LOWER_MASK); 
      mt[kk] = mt[kk+M]^(y >> 1)^mag01[y & 0x1UL]; 
     } 
     for (;kk<N-1;kk++) { 
      y = (mt[kk]&UPPER_MASK)|(mt[kk+1]&LOWER_MASK); 
      mt[kk] = mt[kk+(M-N)]^(y >> 1)^mag01[y & 0x1UL]; 
     } 
     y = (mt[N-1]&UPPER_MASK)|(mt[0]&LOWER_MASK); 
     mt[N-1] = mt[M-1]^(y >> 1)^mag01[y & 0x1UL]; 

     self->index = 0; 
    } 

    y = mt[self->index++]; 
    y ^= (y >> 11); 
    y ^= (y << 7) & 0x9d2c5680UL; 
    y ^= (y << 15) & 0xefc60000UL; 
    y ^= (y >> 18); 
    return y; 
} 

static double 
random_random(RandomObject *self) 
{ 
     uint32_t a=genrand_int32(self)>>5, b=genrand_int32(self)>>6; 
     return (double)((a*67108864.0+b)*(1.0/9007199254740992.0)); 
} 

static void 
init_genrand(RandomObject *self, uint32_t s) 
{ 
    uint32_t mti; 
    uint32_t *mt; 

    mt = self->state; 
    mt[0]= s & 0xffffffffUL; 
    for (mti=1; mti<N; mti++) { 
     mt[mti] = 
     (1812433253UL * (mt[mti-1]^(mt[mti-1] >> 30)) + mti); 
     /* See Knuth TAOCP Vol2. 3rd Ed. P.106 for multiplier. */ 
     /* In the previous versions, MSBs of the seed affect */ 
     /* only MSBs of the array mt[].        */ 
     /* 2002/01/09 modified by Makoto Matsumoto      */ 
     mt[mti] &= 0xffffffffUL; 
     /* for >32 bit machines */ 
    } 
    self->index = mti; 
    return; 
} 

#endif 

Và đây là một chức năng chính mà chỉ đơn giản tạo ra một đối tượng MT, hạt nó, và sau đó khạc nhổ ra một ngẫu nhiên đôi.

main.c

#include <stdio.h> 
#include "mt.h" 

int main() { 
    RandomObject rand; 
    init_genrand(&rand, 0x1234); 
    printf("%lf\n", random_random(&rand)); 
    return 0; 
} 

Đầu ra là: 0.279194.

Ý tưởng là, khi tôi làm quá trình tương đương trong python, tôi nhận ra số ngẫu nhiên tương tự:

Python 2.7.12 (default, Jul 1 2016, 15:12:24) 
[GCC 5.4.0 20160609] on linux2 
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. 
>>> import random 
>>> random.seed(0x1234) 
>>> random.random() 
0.9281175899596723 

Kết quả là, tất nhiên, khác nhau (hoặc tôi sẽ không có mặt ở đây hỏi).

Câu hỏi của tôi là: Điều gì xảy ra với quy trình của tôi? Tôi chỉ đơn giản là sử dụng nguồn sai? Tôi có làm cho các giả định sai lầm về những gì Python làm với các giá trị trả về từ C?

Tôi thành thật không biết nhiều về Python, vì vậy tôi có thể mắc phải một sai lầm ngu ngốc ở đâu đó.

Answer 1

gì bạn đang thiếu là random.seed() không gọi init_genrand() để gieo rắc tình trạng ban đầu, but use init_by_array() instead (điều này là bởi vì trong Python một số nguyên có thể tùy ý kích thước, và chúng tôi muốn nắm bắt tất cả các bit của hạt giống vào nhà nước).

RandomObject rand; 
uint32_t key[] = {0x1234}; 
init_by_array(&rand, key, sizeof(key)/sizeof(*key)); // <-- 
printf("%f\n", random_random(&rand));