C++中mt19937对象按引用传递仍生成相同随机序列的问题

在类A中创建mt19937随机数生成器对象，供A内部使用，同时将该对象的引用传递给多个类B实例，期望这些B实例能共享同一个生成器生成不同随机序列，但实际每个B实例生成的随机序列完全相同。

相关代码与编译信息如下：

类A代码 #

A.h #

#include <random>
#include <vector>
#include "B.h"

using namespace std;

class A
{
    public:
        A();
    private:
        mt19937 mt;
};

A.cpp #

#include "A.h"

A::A() : mt((random_device())())
{
    vector<B> Bs;

    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
        Bs.emplace_back(i, mt);
    }
}

类B代码 #

B.h #

#include <random>
#include <iostream>

using namespace std;

class B
{
    public:
        B(int id, mt19937& mt);
    private:
        int id;
        mt19937 mt;
};

B.cpp #

#include "B.h"

B::B(int id, mt19937& mt)
{
    this->id = id;
    this->mt = mt;

    bernoulli_distribution dist(0.5);
    cout << "Testing random..." << endl;
    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
        cout << dist(this->mt) << " ";
    }
    cout << endl;
}

main代码 #

main.cpp #

#include "A.h"

int main()
{
    A a;
    return 0;
}

编译命令：

g++-12 B.cpp A.cpp main.cpp -o main -std=c++17

运行环境：Mac OS Monterey 12.2.1，Macbook Pro M1

类B的私有成员mt19937 mt;是独立对象，构造函数中this->mt = mt;是复制了传入的mt19937对象的状态。由于所有B实例在A的构造函数中连续创建时，A的mt还未被修改过，每个B实例复制得到的mt状态完全一致，因此生成的随机序列完全相同。且后续A的mt状态改变时，B实例的复制版本也不会同步。

要让所有B实例共享同一个mt19937对象，需将类B的成员改为引用或指针，而非独立对象。

方案1：使用引用 #

修改B.h #

将私有成员改为引用类型，注意引用必须通过初始化列表初始化，不能在构造函数体内赋值：

#include <random>
#include <iostream>

using namespace std;

class B
{
    public:
        B(int id, mt19937& mt);
    private:
        int id;
        mt19937& mt;
};

修改B.cpp #

通过初始化列表初始化引用成员：

#include "B.h"

B::B(int id, mt19937& mt) : id(id), mt(mt)
{
    bernoulli_distribution dist(0.5);
    cout << "Testing random for B " << id << "..." << endl;
    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
        cout << dist(this->mt) << " ";
    }
    cout << endl;
}

方案2：使用指针 #

若需后续灵活更换生成器，可使用指针：

修改B.h #

#include <random>
#include <iostream>

using namespace std;

class B
{
    public:
        B(int id, mt19937* mt);
    private:
        int id;
        mt19937* mt;
};

修改B.cpp #

#include "B.h"

B::B(int id, mt19937* mt) : id(id), mt(mt)
{
    bernoulli_distribution dist(0.5);
    cout << "Testing random for B " << id << "..." << endl;
    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
        cout << dist(*this->mt) << " ";
    }
    cout << endl;
}

修改A.cpp中创建B实例的代码 #

Bs.emplace_back(i, &mt);

• 使用引用时，需确保被引用的mt19937对象生命周期长于所有B实例，避免悬空引用。本场景中A的mt成员生命周期覆盖B实例，因此安全。
• 使用指针时，需注意空指针检查，避免访问无效内存。
• random_device在部分平台可能返回固定序列（如无硬件随机源的环境），但这并非当前问题的诱因。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Bryan Barbosa