一种生成动态随机数的并行算法
一种CRC并行计算原理及实现方法
一种CRC并行计算原理及实现方法CRC（Cyclic Redundancy Check）是一种常见的错误检测方法，通过对数据进行位运算来生成一个校验值，用于校验数据的完整性和准确性。
CRC的并行计算原理和实现方法有以下几种：1.位并行原理：CRC计算通常采用二进制多项式除法，利用位运算进行计算。
在CRC 计算中，数据被看作是一个多项式，通过多项式除法，将数据除以生成多项式，得到余数作为校验值。
位并行原理是指对输入数据的每一位和校验值的对应位进行并行运算，通过异或操作（XOR）得到新的校验值。
具体实现方法如下：1）初始化校验值为全0；2）遍历输入数据的每一位，从高位到低位，利用异或操作将其与校验值的对应位进行运算；3）运算结果作为新的校验值；4）重复以上步骤，直到遍历完所有的位；5）最终的校验值即为CRC值。
2.字节并行原理：在字节并行原理中，将输入数据和CRC校验值都看作是字节序列，通过对每个字节进行并行运算来计算CRC校验值。
这种方法可以提高计算速度和效率。
具体实现方法如下：1）初始化校验值为全0；2）将输入数据按字节分割，每次处理一个字节；3）将每个字节与校验值的最低8位进行异或运算；4）将结果右移8位；5）用字节查找表（Lookup Table）查找对应的校验值，将结果与校验值的最低8位进行异或运算；6）重复以上步骤，直到处理完所有的字节；7）最终的校验值即为CRC值。
3.广义并行原理：广义并行原理是在字节并行原理的基础上进一步拓展，将输入数据和校验值分组处理，并行计算多个字节的CRC校验值。
这种方法在一些场景下可以进一步提高计算速度和效率。
具体实现方法如下：1）初始化校验值为全0；2）将输入数据按照一定的分组规则分割成多个字节组，每个字节组包含多个字节；3）将每个字节组与校验值进行异或运算；4）使用查找表查找每个字节组的校验值，并与校验值的最低8位进行异或运算；5）重复以上步骤，直到处理完所有的字节组；6）最终的校验值即为CRC值。
生成随机数的方法
生成随机数的方法
生成随机数的方法有很多种，以下是其中几种常见的方法：
1. 使用随机数生成算法：常见的随机数生成算法有线性同余法、梅森旋转算法等。
这些算法可以基于一个种子值生成一个伪随机数序列。
2. 使用随机数生成器函数或类：许多编程语言都提供了内置的随机数生成函数或类，可以使用这些函数或类来生成随机数，通常需要指定生成随机数的范围。
3. 使用时间戳作为种子：可以使用当前时间戳作为随机数生成的种子，然后使用这个种子来生成随机数。
4. 使用外部硬件设备：某些情况下需要更高质量的随机数，可以利用外部硬件设备如热噪声发生器、麦克风或摄像头等生成真随机数。
5. 使用随机数表：事先准备好一张随机数表，需要时从中选取随机数。
不同的方法适用于不同的应用场景，选择适合的方法可以保证生成的随机数具有一定的随机性。
马尔可夫链蒙特卡洛方法的并行化实现技巧
马尔可夫链蒙特卡洛方法的并行化实现技巧马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法是一种用于进行概率计算的重要技术，能够在估计复杂的概率分布时发挥重要作用。
然而，MCMC方法在处理大规模数据时通常需要较长的计算时间，因此并行化实现成为了研究的热点之一。
本文将讨论MCMC方法在并行化实现中的一些关键技巧。
1. 理解马尔可夫链蒙特卡洛方法MCMC方法是一种用于从复杂概率分布中抽样的技术，其核心思想是通过构造一个马尔可夫链，在该链上进行随机抽样，最终得到概率分布的近似值。
常见的MCMC算法包括Metropolis-Hastings算法、Gibbs抽样算法等。
在实际应用中，MCMC方法通常需要进行大量的迭代计算，因此其计算效率成为了一个重要的问题。
2. 并行化实现技巧在实现MCMC方法的并行化时，通常需要考虑以下几个关键技巧：（1）任务划分：MCMC方法通常涉及大量的随机抽样和计算操作，因此在并行化实现时需要合理地划分计算任务，确保各个处理器能够充分利用计算资源。
（2）通信开销：并行化计算通常涉及不同处理器之间的通信，而通信开销可能成为影响并行计算效率的一个关键因素。
因此在MCMC方法的并行化实现中，需要合理地设计通信模式，减小通信开销。
（3）随机性控制：MCMC方法的核心在于随机抽样，而在并行计算中随机性控制往往会成为一个复杂的问题。
在MCMC方法的并行化实现中，需要设计合理的随机数生成策略，确保并行计算结果的准确性。
（4）性能优化：在实际应用中，MCMC方法通常涉及大规模的数据计算，因此在并行化实现中需要考虑诸如缓存优化、向量化计算等技术，以提高计算效率。
3. 实际案例在实际应用中，MCMC方法的并行化实现已经得到了广泛的应用。
以贝叶斯统计模型为例，MCMC方法能够对模型参数进行贝叶斯估计，但在实际应用中通常需要处理大规模数据。
因此，研究人员通常会采用并行化的MCMC方法来加速计算。
以Metropolis-Hastings算法为例，研究人员可以通过合理地划分计算任务、设计有效的通信模式、控制随机性等技巧，实现对贝叶斯统计模型的快速估计。
随机数算法
随机数算法简介随机数在计算机科学和信息安全领域扮演着重要角色。
随机数算法用于生成一系列看似随机的数字，这些数字在统计上是均匀分布、不可预测的。
本文将介绍几种常见的随机数算法，包括伪随机数算法和真随机数算法，以及它们的优缺点和应用场景。
伪随机数算法伪随机数算法是一种基于确定性计算的生成随机数的方法。
通过一个初始种子(seed)，该算法按照一定规则生成一系列数字。
由于算法的确定性，相同的初始种子将产生相同的随机数序列。
线性同余法线性同余法是最常见的伪随机数生成算法之一。
它通过以下公式计算随机数：X(n+1) = (a × X(n) + c) mod m其中，X(n)表示当前的随机数，X(n+1)表示下一个随机数，a、c、m是事先确定的常数。
这个算法的优点是简单、高效，也易于实现。
然而，如果选择的参数不当，可能产生周期较短或重复的随机数序列。
梅森旋转算法梅森旋转算法是一类伪随机数算法的统称，它们使用一个巨大的状态空间来生成随机数。
最著名的梅森旋转算法是梅森旋转发生器(Mersenne Twister)。
梅森旋转算法的优点是周期非常长，产生的随机数序列质量较高。
它的缺点是占用内存较大，生成随机数的速度相对较慢。
真随机数算法真随机数算法是通过物理过程来生成随机数，例如电子噪声、放射性衰变等。
相比于伪随机数算法，真随机数算法具有更高的随机性和不可预测性。
硬件随机数生成器硬件随机数生成器是一种基于物理过程的真随机数生成器。
它利用物理设备（如热噪声源、放射性衰变）产生的不可预测的随机事件来生成随机数。
由于依赖于硬件设备，硬件随机数生成器通常安全性较高，但成本也较高。
环境噪声环境噪声是通过采集环境中的噪声信号来生成随机数。
这些噪声信号可以是来自于温度、湿度、大气压力等方面的变化。
环境噪声具有很高的随机性，可以被用作真随机数的来源。
由于环境噪声易于采集和获取，这种方法相对来说比硬件随机数生成器更容易实现。
xorshift随机数生成方法
一、概述在计算机科学中，随机数生成是一个重要的问题。
随机数在诸如密码学、模拟和游戏等领域的应用非常广泛，如何高效地生成随机数一直是学术界以及工程界关注的焦点之一。
二、xorshift是什么？1. xorshift是一种伪随机数生成算法，它由George Marsaglia于2003年提出。
2. xorshift算法的原理非常简单，它通过对当前状态使用异或、移位等操作来生成下一个状态，并从中提取出随机数。
三、xorshift的特点1. 简单高效：xorshift算法的实现非常简单，算法的迭代速度非常快。
2. 周期长：对于合适的参数选择，xorshift算法的周期非常长，可以满足大部分应用的需求。
3. 均匀性好：xorshift算法生成的随机数具有很好的均匀性，可以满足大部分统计学要求。
四、xorshift算法的实现1. xorshift算法的一般形式为：```Cuint32_t xorshift32(uint32_t *state) {uint32_t x = *state;x ^= x << 13;x ^= x >> 17;x ^= x << 5;*state = x;return x;}```2. xorshift算法的参数选择对其性能和质量有很大影响，通常情况下，可以通过实验和理论分析来选择合适的参数。
五、xorshift算法的应用1. xorshift算法可以广泛用于模拟、随机数采样、密码学等领域。
2. xorshift算法也常常作为其他随机数生成算法的一部分，Mersenne Twister等算法就使用了xorshift算法来生成初始种子。
六、xorshift算法的改进1. 当前，xorshift算法已经有了很多的改进版本，例如xorshift*算法、xoroshiro算法等。
这些改进版本在性能和质量上都有不同程度的提升。
2. 研究者们一直在为改进xorshift算法进行着不懈的努力，相信在不久的将来，我们会看到更加高效和强大的伪随机数生成算法的出现。
并行计算.4算法
方根划分技术
示例: A={1,3,8,9,11,13,15,16},p=8; B={2,4,5,6,7,10,12,14,17},q=9
(1)(2)
B:
A:
1 2 1 2
3 4 3 4
(f) 主元划分 ： 6 14 15 39 46 48 72 91 93 12 21 36 40 54 61 69 89 97 20 27 32 33 53 58 72 84 97
(g) 全局交换 ： 6 14 15 12 21 20 27 32 33 39 46 48 36 40 54 61 69 53 58 72 91 93 89 97 72 84 97
均匀划分技术
• 例 PSRS排序过程。N=27，p=3，PSRS排序如下：
(a) 均匀划分 ：15 46 48 93 39 6 72 91 14 36 69 40 89 61 97 12 21 54 53 97 84 58 32 27 33 72 20
(b) 局部排序 ： 6 14 15 39 46 48 72 91 93 12 21 36 40 54 61 69 89 97 20 27 32 33 53 58 72 84 97 (c) 正则采样 ： (d) 采样排序 ： (e) 选择主元 ： 6 6 33 39 12 69 72 20 12 33 40 39 69 40 20 69 33 72 72 72
并行算法
1 一般设计方法
并行算法的一般设计方法
• 串行算法的直接并行化
• 从问题描述开始设计并行算法 • 借用已有算法求解新问题
串行算法的直接并行化
• 设计方法描述
• 快排序算法的并行化
设计方法的描述
• 方法描述 –发掘和利用现有串行算法中的并行性，直接将 串行算法改造为并行算法。 –许多并行编程语言都支持通过在原有的串行程 序中加入并行原语（例如某些通信命令等）的 方法将串行程序并行化。来自借用已有算法求解新问题
随机数的生成方法
随机数的生成方法
一、随机数的定义
随机数是指一组无规律的数字组合，每一次随机出来的结果都完全不同。
随机数是在一定范围内取出一个完全随机的数，用于计算机系统中一
些需要给定一组随机数、模拟实际环境的应用场合。
随机数可以实现一定
的不可预测性，是计算机安全性的重要保障，在数据传输安全、加密技术
中有着重要的作用。
1、基于数学模型的方法
a)均匀分布的随机数生成
均匀分布的随机数是在给定的[A,B](A<B)之间取出一个完全随机的数，即数学上的均匀分布。
一种常用的均匀随机数生成方法是线性同余法，它
的实现步骤如下：
①确定一个循环移位寄存器R，其状态位数为n，状态序列的周期为
2^n，即从0到2^n-1；
②确定一个模数运算法则，用于对R进行变换；
③设置初值R0，在此基础上,依次计算R1，R2，R3，…，Rn；
④通过将状态序列Ri映射为[A,B]区间内的均匀分布随机数。
b)指数分布的随机数生成
指数分布的随机数生成可以利用指数函数的特性，其核心思想是：以
一些概率将一个离散型随机变量转换为连续性随机变量，再根据指数函数
求出该随机变量的概率分布，从而产生均匀分布的概率分布。
指数分布随机数生成的实现步骤如下：。
在C++中实现并行计算和并行算法
在C++中实现并行计算和并行算法并行计算和并行算法是指通过同时运行多个计算任务来提高计算效率的一种计算方法。
在C++中，可以使用多线程、OpenMP和MPI等工具实现并行计算和并行算法。
1.多线程：C++提供了多线程编程的支持，可以使用std::thread库来创建和管理线程。
多线程可以将一个计算任务划分为多个子任务，在多个线程中同时执行，从而提高计算效率。
下面以一个简单的例子来说明多线程的使用：```cpp#include <iostream>#include <thread>//子线程执行的函数void task(int id) {std::cout << "Thread " << id << " is running" <<std::endl;int main() {const int numThreads = 4;std::thread threads[numThreads];//创建多个线程，并分配不同的子任务for (int i = 0; i < numThreads; ++i) { threads[i] = std::thread(task, i);}//等待所有线程执行完毕for (int i = 0; i < numThreads; ++i) { threads[i].join();}return 0;}运行这段代码，我们可以看到输出结果显示了四个线程同时执行的情况。
2. OpenMP：OpenMP是一种并行编程接口，可以在C++中使用它来实现并行计算。
OpenMP提供了一系列的指令和函数，可以在循环、函数和代码段等级别上实现并行化。
下面是一个使用OpenMP实现的并行循环的例子：```cpp#include <iostream>#include <omp.h>int main() {const int size = 100;int arr[size];//使用OpenMP并行化循环初始化数组#pragma omp parallel forfor (int i = 0; i < size; ++i) { arr[i] = i;}//输出数组的内容for (int i = 0; i < size; ++i) { std::cout << arr[i] << " ";if (i % 10 == 9) {std::cout << std::endl;}}return 0;}```运行结果显示数组中的元素是按照顺序初始化的，这表明循环在多个线程中并行执行。
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信息系统的安全性通常依赖其加密系统的安全性，随机 数在加密系统中具有重要作用。在数据加密、密钥管理、电 子商务、数字签名、身份鉴定等应用领域，通常要求使用密 码学意义上的安全随机序列。即使给出产生序列的算法和计 算的初始值，也不可能通过计算来逆推下一个随机值，即随 机序列具有不可逆性[1]。本文引入 2 个新的物理熵值，在此基 础上设计一种结合传统方法和并行思想的动态生成算法，提 高了软件生成随机序列的离散性，获得了较高质量的随机序列。
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(06JJ50107) 作者简介：谭 阳(1979－)，男，助教、硕士，主研方向：智能计算， 并行计算；全惠云，教授 收稿日期：2009-02-07 E-mail：tanyang334@
2.1.2
伪 0-1 随机生成函数 一般伪随机数算法生成 (0,1)区间内的小数，其计算式为
5 种伪 0-1 随机生成算法的平衡性比较
随机 0 的数量 2 502 557 2 496 089 2 501 619 2 500 199 2 497 941 随机 1 的数量 2 497 443 2 503 911 2 498 381 2 499 801 2 502 059 偏差值 5 114 -7 822 3 238 398 -4 118 偏差率 0.002 044 -0.003 130 0.001 294 0.000 159 -0.001 650
初始化 Pool[N]; W ← 1; //初始化或恢复动态数据池中的数据
输出
动态数据缓冲池 利用动态数据构造随机函数的主要问题包括动态数据的构 造、读写系统的数据冲突、单位时间内生成的数据量 3 个方面。 为解决以上问题，本文提出一种利用历史信息，并通过动态注 入函数、动态数据缓冲、动态数据读取构造的动态数据生成方 法——动态数据缓冲池(Pool of Dynamic Buffed Data, PDBD)。 2.3
(2)
跳跃变量的加入 在读取过程中引入前跳或蛙跳动作，每次执行数据读取 时，在读指针的数值上再加上一个跳跃变量。增加的跳跃变 量可以使读取位置产生更多变化，假设缓冲区大小为 N，则 每次的读取位置还可以产生 N 种变化。根据需要，跳跃变量 可以使用有正负值输出的混沌映射来生成。 2.5 前次系统数据的保留 随机数生成系统启动的初期系统熵值很低，造成生成系 统在刚启动的情况下，生成的随机数质量不高且较容易被猜 测 [6]。在生成系统结束当前工作后，可以对系统当前数据池 中的数据进行保存。当再次启动生成系统时，直接恢复数据 池的最后状态，从而有效增加启动初期系统的熵量，提高安 全性，避免了系统在运行初期生成的随机数质量下降。 2.6 算法流程 整个算法是并行运行的，如图 1 所示。分离 0-1 随机序 列生成函数和跳跃步长生成函数部分，形成一种 C/S 模式， 可以实现各种发生器工作在无关系统中。被分离的部分可以 是其他服务器、PC 机、系统或单片机，避免了整个生成系统 被刺探的可能。在该算法中，读取数据时无须使用中断注入 函数的工作，可以将其在读取过程中生成的数据舍弃。随调 用程序读取的时间不同，被舍弃的数据大小不同，进一步增 加了系统的熵。 2.7
设 3 个处理器： P1,P2,P3，按树型联接，且 P1 为 P2, P3 的父节点，如图 2 所示。
P1
P2
P3
图2
并行处理器的联接
主生成程序运行在 P1 上， 0-1 序列生成函数运行在 P2 上，步长生成 (混沌 )函数运行在 P3 上，共有 N 个全局存储器 变量。 整个算法采用基于 MIMD 异步通信的互联网络并行模式。 根节点 P1 的算法描述如下：
⎧ ⎪ xn+1 = f1 ( xn ) ⎨ ⎪ ⎩ f ( x ) = f1 ( x ) / M
(1)
其中， 0≤ x≤ M, x∈ N。 为了方便一般表达式生成 0-1 函数值，需要对式 (1)进行 改造，改造后的计算式为
⎧ ⎪ xn+1 = f1 ( xn ) ⎨ ⎪ ⎩ f ( x ) = f1 ( x ) mod 2
(1. 湖南师范大学数学与计算机科学学院，长沙 410081；2. 湖南广播电视大学，长沙 410004) 摘 要：针对软件难以生成高质量随机数的问题，提出一种基于并行结构的随机数生成算法。该算法采用关联系统和数据缓冲机制，利用 读过程和写过程的时间差值实现对缓冲区域数据的动态化，提高了随机数质量。测试该算法生成的随机序列，结果表明在 NIST 800-22 标 准下，其通过率大于 99.7%。 关键词：随机数；熵值；动态数据；并行算法
2
算法设计
2.1 0-1 序列生成函数 2.1.1 二进制序列转化 通过二进制序列转化的有理数特性，由 0-1 生成函数确 定。 文献 [4]提到， 如果计算机中的二进制存储单元满足 P= 0.5 的 0-1 分布规律，则通过二进制序列转化的有理数在 (0,1)区 间内是均匀分布的。可以看出，二进制序列转化的随机数对 0-1 生成函数生成的 0-1 序列的偏差率 (平衡性 )有很高要求。
2.3.1
动态数据缓冲 采用环形队列的方式构造数据缓冲区域， 并通过设置读、 写 2 个指针进行循环控制。 2.3.2
B 系统
A 系统
图1
动态随机生成器在并行状态下的流程
动态注入函数 使用式 (2)生成伪 0-1 随机序列，利用生成的伪随机数据 对缓冲区域内的已有数据进行异或操作，并向环形缓冲区域 写入异或结果。 动态数据读取 通过读指针动态定位数据缓冲区的读取位置，并进行循 环读取。为了保证数据的完整和有效，需要对子程序 ( 函数 ) 实施中断或锁定，以保证数据缓冲区在任意时刻只有一种操 作存在。 2.3.3 变量初值的调整 可以看出，生成系统对读、写指针的初值是敏感的 (具有 类混沌系统的特征 )，如果对读、写指针赋以初值，就可以使 系统获得更多初始态。假设整个缓冲区的大小为 N，则通过 读、写指针不同值的组合可以获得 N2 种初始状态。当 N 值足 够大时，就很难通过若干个结果值逆推出读、写指针的初值。 2.4
1
1.1
基本理论
电流、键盘和鼠标的输入值、磁盘的读取和中断等 [2-3]，作为 熵值参数来引入，以提高整个生成系统的熵量。但是随机事 件的捕捉及量化过程较复杂， 一般需要特殊设备或硬件支持， 且由于物理随机事件本身的随机性，因此在大时间密度下难 以实现对随机数的要求。另一种是对群体行为的描述，例如， GRNG 是 Googl 公司开发的基于 Search Engine 搜索的网页量 数，并以此量数进行生成随机数的开放式软件。但此类算法 要求网络互联，导致使用范围受到限制，且由于关键数据的 传输使用开放传输平台，因此在安全性上不能得到保证。 动态数据 动态数据是随时间的增长而数值不断变化的一种数据结 构，其主要特点是在任一单位时间内，其构成的数据值是不 同的 ( 如每天的世界总人口数 ) 。因为具有变化特点，所以动 态结构的数据在生成随机数时有独特优势，但其构成的数据 值不断变化，因此，很少有人将其用于软件生成随机数。 1.4
其中， x∈ N。 通过实验比较 5 种伪 0-1 随机生成算法的平衡性，对 10 组 5×106 次迭代结果取平均统计值，如表 1 所示。可见，改进的 线性同余方法 [5]偏差率在 0.15‰左右，是 5 种算法中较好的 一种。本文采用改进的线性同余随机算法作为伪 0-1 随机生 成函数。
表1
生成函数 迭代取中法 乘同余法 线性同余法 改进的线性同余法 序列交换法
第 35 卷 Vol.35
第 13 期 No.13
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文章编号：1000—3428(2009)13—0150—03 文献标识码：A
2009 年 7 月 July 2009
中图分类号：TP301
·安全技术·
一种生成动态随机数的并行算法
谭 阳 1,2，全惠云 1
舍弃数据 非读取时 生成的跳 跃步长
读取时生成 读取信号
跳跃步 发生成器
读取时生成的跳跃步长值
读取程序 （生成随机数）
读取过程
物理随机事件的引入 笔者在应用中发现，不同程序向系统调用随机参数时， 它们之间的时间间隔是一个典型的随机态时间值，且只要向 系统调用随机数就必然生成一个物理的随机时间参数。应用 中各种 程序所 需随机 参数的 长度 ( 精 度 ) 也 是一个 随机态 数 值。 将上述 2 个物理随机事件作为熵值引入随机数生成系统， 其获取和使用很方便，且都是基于封闭系统内的参数，具有 很高安全性。 2.2
Parallel Algorithm for Dynamic Random Number Generation
TAN Yang1,2, QUAN Hui-yun1
(1. College of Mathematics and Computer Science, Hunan Normal University, Changsha 410081; 2. Hunan Radio & TV University, Changsha 410004) 【Abstract】Aiming at the problem that it is difficult for software to generate high-quality random number, this paper presents a random number generation algorithm based on parallel structure. This algorithm uses related systems and data buffering mechanisms. It uses the time difference of reading process and writing process to realize the dynamics of buffer region data and upgrade the quality of random number. Test results on random sequence generated by this algorithm show that its pass rate is higher than 99.7% in the NIST 800-22 standard. 【Key words】random number; entropy value; dynamic data; parallel algorithm