随机数种子的可能来源

Question

两点——第一，这个例子是用 Fortran 编写的，但我认为它应该适用于任何语言；其次，内置的随机数生成器并不是真正随机的，并且存在其他生成器，但我们对将它们用于我们正在做的事情不感兴趣。

大多数关于随机种子的讨论都承认，如果程序不在运行时播种，那么种子是在编译时生成的。因此，每次程序运行时都会生成相同的数字序列，这对于随机数来说并不好。克服这个问题的一种方法是使用系统时钟为随机数生成器提供种子。

然而，当在多核机器上与 MPI 并行运行时，我们的系统时钟方法会产生相同类型的问题。虽然序列在每次运行时都会发生变化，但所有处理器都具有相同的系统时钟，因此具有相同的随机种子和相同的序列。

因此，请考虑以下示例代码：

PROGRAM clock_test
   IMPLICIT NONE
   INCLUDE "mpif.h"
   INTEGER :: ierr, rank, clock, i, n, method
   INTEGER, DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: seed
   REAL(KIND=8) :: random
   INTEGER, PARAMETER :: OLD_METHOD = 0, &
                         NEW_METHOD = 1

   CALL MPI_INIT(ierr)

   CALL MPI_COMM_RANK(MPI_COMM_WORLD, rank, ierr)

   CALL RANDOM_SEED(SIZE=n)
   ALLOCATE(seed(n))

   DO method = 0, 1
      SELECT CASE (method)
      CASE (OLD_METHOD)
         CALL SYSTEM_CLOCK(COUNT=clock)
         seed = clock + 37 * (/ (i - 1, i = 1, n) /)
         CALL RANDOM_SEED(put=seed)  
         CALL RANDOM_NUMBER(random)

         WRITE(*,*) "OLD Rank, dev = ", rank, random
      CASE (NEW_METHOD)
         OPEN(89,FILE='/dev/urandom',ACCESS='stream',FORM='UNFORMATTED')
         READ(89) seed
         CLOSE(89)
         CALL RANDOM_SEED(put=seed)  
         CALL RANDOM_NUMBER(random)

         WRITE(*,*) "NEW Rank, dev = ", rank, random
      END SELECT
      CALL MPI_BARRIER(MPI_COMM_WORLD, ierr)
   END DO

   CALL MPI_FINALIZE(ierr)
END PROGRAM clock_test

当在具有 2 个内核的工作站上运行时，给出：

OLD Rank, dev =            0  0.330676306089146     
OLD Rank, dev =            1  0.330676306089146     
NEW Rank, dev =            0  0.531503215980609     
NEW Rank, dev =            1  0.747413828750221     

因此，我们通过从 /dev/urandom 读取种子来克服时钟问题。这样每个核心都会获得自己的随机数。

还有哪些其他种子方法可以在多核、MPI 系统中工作，并且在每次运行时在每个核心上仍然是唯一的？

Answer 1

如果您看一下 Katzgrabber 写的科学计算中的随机数：简介（这是对 ins 和（由于使用 PRNG 进行技术计算），同时他们建议使用时间和 PID 的哈希函数来生成种子。从他们的第 7.1 节来看：

long seedgen(void)  {
    long s, seed, pid;

    pid = getpid();
    s = time ( &seconds ); /* get CPU seconds since 01/01/1970 */

    seed = abs(((s*181)*((pid-83)*359))%104729); 
    return seed;
}

当然，在 Fortran 中，这会是这样的 有时

function seedgen(pid)
    use iso_fortran_env
    implicit none
    integer(kind=int64) :: seedgen
    integer, intent(IN) :: pid
    integer :: s

    call system_clock(s)
    seedgen = abs( mod((s*181)*((pid-83)*359), 104729) ) 
end function seedgen

能够传递时间也很方便，而不是从 seedgen 中调用它，这样当你测试时可以给它固定值，然后生成可重现（==可测试）的序列。

Answer 2

系统时间通常以整数类型返回（或至少容易转换为）：只需将进程的等级添加到该值中，然后使用它来为随机数生成器提供种子。