C++11のランダムライブラリ（<random>）を使って乱数を生成する方法

C++11では、標準ライブラリの <random> ヘッダを使用することで、高品質な乱数を簡単に生成できるようになりました。従来の rand() 関数と比べて、分布の制御や乱数の品質が大幅に向上しており、現代のC++における乱数生成の推奨手法となっています。

乱数生成の基本的な仕組み

C++11の乱数生成は、主に次の3つの要素で構成されます。

• random_device：OSから真にランダムなデータを取得する非決定的な乱数生成器。シードの供給源として利用します。
• mt19937：メルセンヌ・ツイスタと呼ばれる擬似乱数生成エンジン。高速で長い周期を持つため広く使われています。
• distribution（分布）：一様分布や正規分布など、乱数の取り得る範囲や確率分布を定義します。

この記事の例では、random_device を一度だけ使い、mt という名前の乱数生成器オブジェクト（mt19937）のシードを初期化しています。random_device は mt19937 よりも動作が遅いという欠点がありますが、手動でシードを用意する必要がなく、OSに対して直接ランダムデータを要求するため、毎回異なる乱数列を得られるのが大きな利点です。

サンプルコード

以下は、20.0〜22.0の範囲で一様分布する実数（double型）の乱数を20個生成し、標準出力に表示するプログラムです。

#include <random>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    random_device rd;                              // シード取得用の乱数デバイス
    mt19937 mt(rd());                              // メルセンヌ・ツイスタエンジンをシードで初期化
    uniform_real_distribution<double> dist(20.0, 22.0); // 範囲は20から22

    for (int i = 0; i < 20; ++i)
        cout << dist(mt) << endl;
}

コードのポイント

• random_device rd; … OSが提供するハードウェア的な乱数源から値を取得します。
• mt19937 mt(rd()); … エンジンの構築時にシードを渡すことで、実行ごとに異なる乱数列を生成できます。
• uniform_real_distribution<double> dist(20.0, 22.0); … 指定した閉区間 [20.0, 22.0] の範囲で一様に分布する実数を返します。整数の一様乱数が必要な場合は uniform_int_distribution を使用します。
• dist(mt) … 分布オブジェクトにエンジンを渡して呼び出すことで、実際の乱数値を1つ取得します。

実行結果

実行環境によって出力される値は毎回異なりますが、以下のような出力が得られます。

21.5311
21.7195
21.0961
21.9679
21.197
21.2989
20.6333
20.441
20.7124
20.2654
21.1877
20.4824
20.0575
20.9432
21.222
21.162
21.1029
20.2253
21.5669
20.3357

すべての値が指定範囲である20.0以上22.0未満に収まっていることが確認できます。

まとめ

C++11の <random> ライブラリを使えば、「シード取得 → 乱数エンジン → 分布」という明確な設計で、目的に応じた高品質な乱数を柔軟に生成できます。rand() よりも再現性・精度・安全性の面で優れているため、新規プロジェクトでは必ずこちらを採用しましょう。