音乐随机播放算法
2016-02-26 09:06
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最近做的项目是个跟音乐相关的App，里面涉及到音乐随机播放。看到这篇文章，写得不错，便转了过来。
本文转自http://blog.csdn.net/asce1885/article/details/7582735
常见的音乐随机播放算法主要有两种：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，是从有序到乱序的一个过程，俗称洗牌算法。它将播放列表中的歌曲顺序打乱，变成一个和原来歌曲顺序没有任何关系的乱序的播放列表，之后进行歌曲的播放，并支持当用户点击“上一首”时，能够回到刚刚播放的那一首歌曲。
二 Random算法
Random算法是在选取即将播放的歌曲时，进行一个随机数的运算，得到即将播放的歌曲在播放列表中的索引，播放列表本身并没有被打乱，只是利用随机函数从播放列表中选取一首歌曲进行播放而已。
现在比较普遍的随机数生成算法是基于线性同余算法实现的，例如C语言标准库函数rand()就是利用它产生随机数的。线性同余算法能够产生均匀分布的随机数，但是它依赖于给定的随机数的上限，如果上限越小，产生的随机数重复的概率就越大。
Random算法另一个缺陷是当点击“上一首”时，跟“下一首”功能完全一样，都是重新生成随机数，并利用它从播放列表中选取歌曲进行播放，而不会回到刚刚播放的那一首歌。当然，这个缺陷可以通过提供历史记录来弥补，只是需要花费额外的空间。
三 随机函数
上面两种算法的关键都是随机函数，下面介绍Java和C两种语言中随机函数的使用。
3.1）Java中的随机函数
Java是采用线性同余算法产生随机数的，优点是随机性好，周期长，速度快，易于计算机软件实现，缺点是产生的随机数受数学规律的制约，具有周期性和相关性，只能产生伪随机序列。JDK提供的随机数生成方式有两种：
3.1.1）Math.random()函数
该函数返回0到1区间中的某个double值，源码实现如下：
[java] view
plain copy
print?
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();
}
可见，该函数底层是调用Random类实现的，首次调用random函数时，静态成员变量randomNumberGenerator为空，因此将调用Random类的构造函数进行初始化，随后每次调用random函数randomNumberGenerator不再为空，将不会再实例化Random类，因此，每次调用Math.random()函数用到的都是同一个种子，也就是首次调用的系统时间产生的种子。
3.1.2）Random类
位于Java.util包中，该类有两个构造函数，实现如下：
[java] view
plain copy
print?
public Random() {
this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}
public Random(long seed) {
this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
}
可见，构造函数默认使用当前的系统时间产生种子，用于初始化Random对象。之后就可以调用各种next*函数来获取各种类型的随机数，如nextBytes，nextInt，nextDouble，nextGaussian等等。
3.2）C/C++中的随机函数
C/C++中最常用的生成伪随机数的方法是C标准库提供的rand()函数，它定义在stdlib.h文件中，能够返回0~RAND_MAX之间均匀分布的伪随机数（RAND_MAX至少为32767，一般默认为32767）。
直接调用rand()，每次生成的伪随机序列是相同的，因为rand()在生成随机数时会使用一个种子（默认值是1），作为计算随机数的初始值，如果种子相同，那么生成的伪随机序列也将是一样的。解决的办法很简单，就是每次使用不同的种子来调用rand()函数，srand()函数就是用来设置rand()函数产生随机数时使用的种子的。
srand()函数原型如下：
[cpp] view
plain copy
print?
void srand(
unsigned int seed
);
srand()和rand()配合使用的示例如下：
[cpp] view
plain copy
print?
#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() );
}
需要注意的一点是，上面代码在生成多个随机数时，要将srand()放到for循环的外面，否则上面输出的10个随机数都将是一样的，因为计算机运行速度太快，导致time()函数执行的结果没来得及改变。详见下图。
四 音乐随机播放算法的Shuffle实现
4.1）C/C++版本
[cpp] view
plain copy
print?
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std;
//得到范围start~end之间的随机数
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应该放在for循环之外
for(int i = 0; i< len; i++)
{
key = rand(0, len);
printf("key = %d\n", key);
swap(a[i], a[key]); //乱序
}
}
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
[java] view
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print?
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 现成的Shuffle库算法
其实无论在C++还是Java中，都已经实现了Shuffle算法，在实际项目开发中，如果不是有特殊要求的话，完全没有必要自己去实现Shuffle算法，下面就来看看已有的Shuffle算法。
5.1）C++中的Shuffle算法
C++ STL中的函数random_shuffle()就是用来对一个元素序列进行随机重新排序的算法，函数原型如下：
[cpp] view
plain copy
print?
template<class RandomAccessIterator>
void random_shuffle(
RandomAccessIterator _First, //指向序列首元素的迭代器
RandomAccessIterator _Last //指向序列最后一个元素的下一个位置的迭代器
);
template<class RandomAccessIterator, class RandomNumberGenerator>
void random_shuffle(
RandomAccessIterator _First,
RandomAccessIterator _Last,
RandomNumberGenerator& _Rand //调用随机数产生器的函数
);
具体用法可参见：http://blog.csdn.net/ACE1985/article/details/5868682 。
5.2）Java中的Shuffle算法
Collections类中实现了Shuffle算法，这个类位于java.util包中，有两个重载函数，下面直接看源码：
[java] view
plain copy
print?
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]);
}
}
}
参考文献：
1）http://www.ifanr.com/29498 从随机播放算法看iPod的细节之美
2）http://blog.csdn.net/cstn_kdlx/article/details/7326516 随机数生成问题小结
3）http://blog.csdn.net/hcy0727/article/details/7581671 洗牌算法
4）http://blog.csdn.net/chosen0ne/article/details/6129315 随机播放CD
5）http://blog.csdn.net/ACE1985/article/details/5868682 random_shuffle()和transform算法
本文转自http://blog.csdn.net/asce1885/article/details/7582735
常见的音乐随机播放算法主要有两种：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，是从有序到乱序的一个过程，俗称洗牌算法。它将播放列表中的歌曲顺序打乱，变成一个和原来歌曲顺序没有任何关系的乱序的播放列表，之后进行歌曲的播放，并支持当用户点击“上一首”时，能够回到刚刚播放的那一首歌曲。
二 Random算法
Random算法是在选取即将播放的歌曲时，进行一个随机数的运算，得到即将播放的歌曲在播放列表中的索引，播放列表本身并没有被打乱，只是利用随机函数从播放列表中选取一首歌曲进行播放而已。
现在比较普遍的随机数生成算法是基于线性同余算法实现的，例如C语言标准库函数rand()就是利用它产生随机数的。线性同余算法能够产生均匀分布的随机数，但是它依赖于给定的随机数的上限，如果上限越小，产生的随机数重复的概率就越大。
Random算法另一个缺陷是当点击“上一首”时，跟“下一首”功能完全一样，都是重新生成随机数，并利用它从播放列表中选取歌曲进行播放，而不会回到刚刚播放的那一首歌。当然，这个缺陷可以通过提供历史记录来弥补，只是需要花费额外的空间。
三 随机函数
上面两种算法的关键都是随机函数，下面介绍Java和C两种语言中随机函数的使用。
3.1）Java中的随机函数
Java是采用线性同余算法产生随机数的，优点是随机性好，周期长，速度快，易于计算机软件实现，缺点是产生的随机数受数学规律的制约，具有周期性和相关性，只能产生伪随机序列。JDK提供的随机数生成方式有两种：
3.1.1）Math.random()函数
该函数返回0到1区间中的某个double值，源码实现如下：
[java] view
plain copy
print?
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();
}
可见，该函数底层是调用Random类实现的，首次调用random函数时，静态成员变量randomNumberGenerator为空，因此将调用Random类的构造函数进行初始化，随后每次调用random函数randomNumberGenerator不再为空，将不会再实例化Random类，因此，每次调用Math.random()函数用到的都是同一个种子，也就是首次调用的系统时间产生的种子。
3.1.2）Random类
位于Java.util包中，该类有两个构造函数，实现如下：
[java] view
plain copy
print?
public Random() {
this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}
public Random(long seed) {
this.seed = new AtomicLong(initialScramble(seed));
}
可见，构造函数默认使用当前的系统时间产生种子，用于初始化Random对象。之后就可以调用各种next*函数来获取各种类型的随机数，如nextBytes，nextInt，nextDouble，nextGaussian等等。
3.2）C/C++中的随机函数
C/C++中最常用的生成伪随机数的方法是C标准库提供的rand()函数，它定义在stdlib.h文件中，能够返回0~RAND_MAX之间均匀分布的伪随机数（RAND_MAX至少为32767，一般默认为32767）。
直接调用rand()，每次生成的伪随机序列是相同的，因为rand()在生成随机数时会使用一个种子（默认值是1），作为计算随机数的初始值，如果种子相同，那么生成的伪随机序列也将是一样的。解决的办法很简单，就是每次使用不同的种子来调用rand()函数，srand()函数就是用来设置rand()函数产生随机数时使用的种子的。
srand()函数原型如下：
[cpp] view
plain copy
print?
void srand(
unsigned int seed
);
srand()和rand()配合使用的示例如下：
[cpp] view
plain copy
print?
#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() );
}
需要注意的一点是，上面代码在生成多个随机数时，要将srand()放到for循环的外面，否则上面输出的10个随机数都将是一样的，因为计算机运行速度太快，导致time()函数执行的结果没来得及改变。详见下图。
四 音乐随机播放算法的Shuffle实现
4.1）C/C++版本
[cpp] view
plain copy
print?
#include <cstdlib>
#include <iostream>
using namespace std;
//得到范围start~end之间的随机数
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应该放在for循环之外
for(int i = 0; i< len; i++)
{
key = rand(0, len);
printf("key = %d\n", key);
swap(a[i], a[key]); //乱序
}
}
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
[java] view
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print?
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 现成的Shuffle库算法
其实无论在C++还是Java中，都已经实现了Shuffle算法，在实际项目开发中，如果不是有特殊要求的话，完全没有必要自己去实现Shuffle算法，下面就来看看已有的Shuffle算法。
5.1）C++中的Shuffle算法
C++ STL中的函数random_shuffle()就是用来对一个元素序列进行随机重新排序的算法，函数原型如下：
[cpp] view
plain copy
print?
template<class RandomAccessIterator>
void random_shuffle(
RandomAccessIterator _First, //指向序列首元素的迭代器
RandomAccessIterator _Last //指向序列最后一个元素的下一个位置的迭代器
);
template<class RandomAccessIterator, class RandomNumberGenerator>
void random_shuffle(
RandomAccessIterator _First,
RandomAccessIterator _Last,
RandomNumberGenerator& _Rand //调用随机数产生器的函数
);
具体用法可参见：http://blog.csdn.net/ACE1985/article/details/5868682 。
5.2）Java中的Shuffle算法
Collections类中实现了Shuffle算法，这个类位于java.util包中，有两个重载函数，下面直接看源码：
[java] view
plain copy
print?
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]);
}
}
}
参考文献：
1）http://www.ifanr.com/29498 从随机播放算法看iPod的细节之美
2）http://blog.csdn.net/cstn_kdlx/article/details/7326516 随机数生成问题小结
3）http://blog.csdn.net/hcy0727/article/details/7581671 洗牌算法
4）http://blog.csdn.net/chosen0ne/article/details/6129315 随机播放CD
5）http://blog.csdn.net/ACE1985/article/details/5868682 random_shuffle()和transform算法
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