音樂隨機播放算法

本文轉載自查看原文 2012-05-19 13:31 3935 算法之美

常見的音樂隨機播放算法主要有兩種：一是Shuffle算法；二是Random算法。

一 Shuffle算法

Shuffle算法和排序算法正好相反，是從有序到亂序的一個過程，俗稱洗牌算法。它將播放列表中的歌曲順序打亂，變成一個和原來歌曲順序沒有任何關系的亂序的播放列表，之后進行歌曲的播放，並支持當用戶點擊“上一首”時，能夠回到剛剛播放的那一首歌曲。

二 Random算法

Random算法是在選取即將播放的歌曲時，進行一個隨機數的運算，得到即將播放的歌曲在播放列表中的索引，播放列表本身並沒有被打亂，只是利用隨機函數從播放列表中選取一首歌曲進行播放而已。

現在比較普遍的隨機數生成算法是基於線性同余算法實現的，例如C語言標准庫函數rand()就是利用它產生隨機數的。線性同余算法能夠產生均勻分布的隨機數，但是它依賴於給定的隨機數的上限，如果上限越小，產生的隨機數重復的概率就越大。

Random算法另一個缺陷是當點擊“上一首”時，跟“下一首”功能完全一樣，都是重新生成隨機數，並利用它從播放列表中選取歌曲進行播放，而不會回到剛剛播放的那一首歌。當然，這個缺陷可以通過提供歷史記錄來彌補，只是需要花費額外的空間。

三隨機函數

上面兩種算法的關鍵都是隨機函數，下面介紹Java和C兩種語言中隨機函數的使用。

3.1）Java中的隨機函數

Java是采用線性同余算法產生隨機數的，優點是隨機性好，周期長，速度快，易於計算機軟件實現，缺點是產生的隨機數受數學規律的制約，具有周期性和相關性，只能產生偽隨機序列。JDK提供的隨機數生成方式有兩種：

3.1.1）Math.random()函數

該函數返回0到1區間中的某個double值，源碼實現如下：

    private static Random randomNumberGenerator;

    private static synchronized Random initRNG() {
        Random rnd = randomNumberGenerator;
        return (rnd == null) ? (randomNumberGenerator = new Random()) : rnd;
	}
	
    public static double random() {
        Random rnd = randomNumberGenerator;
        if (rnd == null) rnd = initRNG();
        return rnd.nextDouble();
    }

可見，該函數底層是調用Random類實現的，首次調用random函數時，靜態成員變量randomNumberGenerator為空，因此將調用Random類的構造函數進行初始化，隨后每次調用random函數randomNumberGenerator不再為空，將不會再實例化Random類，因此，每次調用Math.random()函數用到的都是同一個種子，也就是首次調用的系統時間產生的種子。

3.1.2）Random類

位於Java.util包中，該類有兩個構造函數，實現如下：

    public Random() {
        this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
	}
    public Random(long seed) {
        this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
    }

可見，構造函數默認使用當前的系統時間產生種子，用於初始化Random對象。之后就可以調用各種next*函數來獲取各種類型的隨機數，如nextBytes，nextInt，nextDouble，nextGaussian等等。

3.2）C/C++中的隨機函數

C/C++中最常用的生成偽隨機數的方法是C標准庫提供的rand()函數，它定義在stdlib.h文件中，能夠返回0~RAND_MAX之間均勻分布的偽隨機數（RAND_MAX至少為32767，一般默認為32767）。

直接調用rand()，每次生成的偽隨機序列是相同的，因為rand()在生成隨機數時會使用一個種子（默認值是1），作為計算隨機數的初始值，如果種子相同，那么生成的偽隨機序列也將是一樣的。解決的辦法很簡單，就是每次使用不同的種子來調用rand()函數，srand()函數就是用來設置rand()函數產生隨機數時使用的種子的。

srand()函數原型如下：

void srand(
   unsigned int seed 
);

srand()和rand()配合使用的示例如下：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main( void )
{
   int i;

   /* Seed the random-number generator with current time so that
    * the numbers will be different every time we run.
    */
   srand( (unsigned)time( NULL ) );

   /* Display 10 numbers. */
   for( i = 0;   i < 10;i++ )
      printf( "  %6d\n", rand() );
}

需要注意的一點是，上面代碼在生成多個隨機數時，要將srand()放到for循環的外面，否則上面輸出的10個隨機數都將是一樣的，因為計算機運行速度太快，導致time()函數執行的結果沒來得及改變。詳見下圖。

四音樂隨機播放算法的Shuffle實現

4.1）C/C++版本

#include <cstdlib>  
#include <iostream>  
using namespace std;  
 
//得到范圍start~end之間的隨機數 
int rand(int start, int end)  
{  
    return rand()%(end - start) + start;  
}  
  
void swap(int* a, int* b)  
{  
    *a = *a ^ *b;  
    *b = *a ^ *b;  
    *a = *a ^ *b;  
}  
void shuffle(int a[], int len)  
{  
    int key;  
    srand((unsigned int)time(NULL));//srand應該放在for循環之外 
    for(int i = 0; i< len; i++)  
    {  
        key = rand(0, len);  
        printf("key = %d\n", key);
        swap(a[i], a[key]);  //亂序 
    }  
}  
  
int main(int argc, char *argv[])  
{  
    int a[8]={3, 5, 7, 2, 12, 1, 8, 6};  
    shuffle(a, 8);  
    for(int i = 0; i < 8; i++)  
    {  
        printf("%d\n", a[i]);  
    }  
    system("pause");  
    return 0;  
}

4.2）Java版本

import java.util.Random;

public class ASCE {

	public static void main(String arg[]) {
		String[] musicUrl = { "/music/1.mp3", "/music/2.mp3", "/music/3.mp3",
				"/music/4.mp3", "/music/5.mp3", "/music/6.mp3", "/music/7.mp3",
				"/music/8.mp3", "/music/9.mp3", "/music/10.mp3" };

		shuffle(musicUrl);
		for (String music : musicUrl) {
			System.out.println(music);
		}
	}

	public static void shuffle(String[] musicUrl) {
		int key;
		String temp;
		Random rand = new Random();

		for (int i = 0; i < musicUrl.length; i++) {
			key = rand.nextInt(musicUrl.length - 1);
			temp = musicUrl[i];
			musicUrl[i] = musicUrl[key];
			musicUrl[key] = temp;
		}
	}
}

五現成的Shuffle庫算法

其實無論在C++還是Java中，都已經實現了Shuffle算法，在實際項目開發中，如果不是有特殊要求的話，完全沒有必要自己去實現Shuffle算法，下面就來看看已有的Shuffle算法。

5.1）C++中的Shuffle算法

C++ STL中的函數random_shuffle()就是用來對一個元素序列進行隨機重新排序的算法，函數原型如下：

template<class RandomAccessIterator>
   void random_shuffle(
      RandomAccessIterator _First, //指向序列首元素的迭代器
      RandomAccessIterator _Last  //指向序列最后一個元素的下一個位置的迭代器
   );
template<class RandomAccessIterator, class RandomNumberGenerator>
   void random_shuffle(
      RandomAccessIterator _First,
      RandomAccessIterator _Last,
      RandomNumberGenerator& _Rand //調用隨機數產生器的函數
   );

具體用法可參見：http://blog.csdn.net/ACE1985/article/details/5868682 。

5.2）Java中的Shuffle算法

Collections類中實現了Shuffle算法，這個類位於java.util包中，有兩個重載函數，下面直接看源碼：

    public static void shuffle(List<?> list) {
        Random rnd = r;
        if (rnd == null)
            r = rnd = new Random();
        shuffle(list, rnd);
    }
    private static Random r;

    public static void shuffle(List<?> list, Random rnd) {
        int size = list.size();
        if (size < SHUFFLE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
            for (int i=size; i>1; i--)
                swap(list, i-1, rnd.nextInt(i));
        } else {
            Object arr[] = list.toArray();

            // Shuffle array
            for (int i=size; i>1; i--)
                swap(arr, i-1, rnd.nextInt(i));

            // Dump array back into list
            ListIterator it = list.listIterator();
            for (int i=0; i<arr.length; i++) {
                it.next();
                it.set(arr[i]);
            }
        }
    }

參考文獻：

1）http://www.ifanr.com/29498 從隨機播放算法看iPod的細節之美

2）http://blog.csdn.net/cstn_kdlx/article/details/7326516 隨機數生成問題小結

3）http://blog.csdn.net/hcy0727/article/details/7581671 洗牌算法

4）http://blog.csdn.net/chosen0ne/article/details/6129315 隨機播放CD

5）http://blog.csdn.net/ACE1985/article/details/5868682 random_shuffle()和transform算法

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