我们在python工程和数据分析中经常用到随机的操作，比如随机生成某个值，对一串数据进行随机排序等等。random是python一个很强的第三方库，可以实现常用的随机算法。

安装：pip install random

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一：生成随机的数字

0~1之间的随机小数（float）：random.random()

a~b之间的随机小数（float）：random.uniform(a, b)

[a, b)之间的随机整数（int）：random.randint(a, b)

import random
print(f'''
random.random():0~1之间抽取随机小数：
{random.random()}
''')
print(f'''
random.uniform():a~b之间抽取随机小数：
{random.uniform(1,10)}
''')
print(f'''
random.randint():[a, b)之间抽取随机整数：
{random.randint(3,8)}
''')
# 运行结果：
random.random():0~1之间抽取随机小数：
0.75106286590147
random.uniform():a~b之间抽取随机小数：
1.1154946513637323
random.randint():[a, b)之间抽取随机整数：
6

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二：对非空序列（元组、列表、字符串）操作随机拿取

随机地取一个值（等权）：random.choice(lis)

这个很简单，从对象中随机取出一个值，每个值取到的概率相同。

import random

lis = (1,2,3,4,5,'cat')
print(random.choice(lis))
# 运行结果：
4

随机地取k个值（可分配权重）：random.choices(lis, weights=[], cum_weights=[], k=n)

这里重点讲一下几个参数：

• 参数1：population=lis，即样本集。
• 参数2：设置权重weights或cum_weights，传入一个权重列表，为每个样本元素分别设置权重（权重列表个数要与样本列表个数一致）。
  weights（相对权重）和cum_weights（累加权重）都是权重参数，设置方式不同而已，使用时选择其一。
• 参数3：k=n，即从样本中取几个元素。

重点来了：
要了解weights（相对权重）和cum_weghts（累加权重），我们看两个例子：
weights相对权重：把每个权重要素加一起，其总和为总权重。每个权重要素占总权重的比例，即为对应样本的概率。

import random

lis = (1,2,3,4,5,'cat')
print(random.choices(population=lis, weights=[1,2,1,1,3,4], k=3))
'''
weights=[1,2,1,1,3,4]，权重总和为：1+2+1+1+3+4 =12
即：
第一个元素1抽到的概率为：1/12，约8.3%
第二个元素2抽到的概率为：2/12，约16.7%
...
第五个元素5抽到的概率为：3/12，25%
第六个元素‘cat’抽到的概率为：4/12，约33.3%
'''
# 运行结果：
[2, 'cat', 5]

cum_weights累加权重：网上的教程对累加权重解释的都很模糊，我在这里详细说一下。

• 累加权重是“分蛋糕”的概念，样本按照所设权重的总份数（总蛋糕），从第一个开始依次分。分完即止，后面没分到权重的概率为0。
• 列表的最后一项为权重的总份数（共有多少份蛋糕）。
• 列表的每一项代表截至到此，累计拿了几份权重（拿走了多少份蛋糕）。

下面看几个例子。为了便于直观看到概率是多少，我们写个函数test_cumweights()，专门统计样本出现的概率。

def test_cumweights(lis, cw, m, n):
    '''
    【输入】lis:样本集，cw:累加权重，m:抽多少次，n:每次抽几个
    【输出】每个样本出现的概率
    '''
    result = {}   # 用于记录样本出现的次数，{样本：次数}
    for i in lis:
        result[i] = 0   # 初始化，出现次数均为0

    num = 0
    while num < m:    # 抽 m 次
        res = random.choices(population=lis, cum_weights=cw, k=n) 
 # 抽n个的结果res
        for i in res:
            result[i] += 1    # 将本次的结果保存到字典
        num += 1

    times = num * n   # 一共抽了多少次
    for k,v in result.items():   # 打印结果
        print(f'共抽了{times}次，其中【{k}】出现了{v}次，概率约为：{round((v/times),3)}')

例一：cum_weights=[1,2,2,3,7]，总权重为7份。

第一个元素：累计拿了一份，即1/7为14.3%；
第二个元素：累计拿了两份，即第二个元素拿了一份权重，1/7为14.3%；
第三个元素：累计拿了两份，说明第三个元素并未拿权重，即0%；
第四个元素：累计拿了三份，即第四个元素也拿了一份权重，1/7为14.3%；
第五个元素：到此累计拿了七份，即第五个元素拿了四份权重，4/7为57.1%。

lis = ['张飞','马超','荀彧','颜良文丑','毒苹果']
cw = [1,2,2,3,7]
m = 10000
n = 3
test_cumweights(lis=lis,cw=cw, m=m, n=n)
# 运行结果：
共抽了30000次，其中【张飞】出现了4284次，概率约为：0.143
共抽了30000次，其中【马超】出现了4366次，概率约为：0.146
共抽了30000次，其中【荀彧】出现了0次，概率约为：0.0
共抽了30000次，其中【颜良文丑】出现了4322次，概率约为：0.144
共抽了30000次，其中【毒苹果】出现了17028次，概率约为：0.568

是不是很好理解？别急，下面还有难的：

例二：cum_weights=[2,3,1,2,7]，总权重为7份。

第一个元素：累计拿了两份，即2/7为28.6%；
第二个元素：累计拿了三份，即第二个元素拿了一份权重，即1/7为14.3%；
第三个元素：累计拿了一份，权重分配到此，说明又收回了两份，只分了一份出去。谁拿了呢？显然是第一个，因为第一个是2，是最先分配的（如果是0呢？）。所以第一个元素变成了1/7为14.3%，第二个元素没分到为0%，第三个元素也没拿，为0%；
第四个元素：累计拿了两份，即第四个元素拿了一份权重，1/7为14.3%；
第五个元素：到此累计拿了七份，即第五个元素拿了五份权重，5/7为71.4%。

lis = ['张飞','马超','荀彧','颜良文丑','毒苹果']
cw = [2,3,1,2,7]
m = 10000
n = 3
test_cumweights(lis=lis,cw=cw, m=m, n=n)
# 运行结果：
共抽了30000次，其中【张飞】出现了4281次，概率约为：0.143
共抽了30000次，其中【马超】出现了0次，概率约为：0.0
共抽了30000次，其中【荀彧】出现了0次，概率约为：0.0
共抽了30000次，其中【颜良文丑】出现了4425次，概率约为：0.147
共抽了30000次，其中【毒苹果】出现了21294次，概率约为：0.71

例二中，如果cw第一个是0呢？显然，第一个就没要份额，后面重新分配时就会把权重分给第二个，即cw=[0, 3, 1, 2, 7]：
元素一：0%
元素二：14.3%
元素三：0%
元素四：14.3%
元素五：71.4%

lis = ['张飞','马超','荀彧','颜良文丑','毒苹果']
cw = [0,3,1,2,7]
m = 10000
n = 3
test_cumweights(lis=lis,cw=cw, m=m, n=n)
# 运行结果：
共抽了30000次，其中【张飞】出现了0次，概率约为：0.0
共抽了30000次，其中【马超】出现了4281次，概率约为：0.143
共抽了30000次，其中【荀彧】出现了0次，概率约为：0.0
共抽了30000次，其中【颜良文丑】出现了4292次，概率约为：0.143
共抽了30000次，其中【毒苹果】出现了21427次，概率约为：0.714

累加权重cum_weights支持整数和小数分配，逻辑是一样的。

累加权重的概念到此讲完，着实很抽象。

要知道，random.choices()的运算逻辑就是把相对权重weights先转为累加权重cum_weights，再执行随机算法。因此使用cum_weights参数的运算效率要高一些。

如果不是追求极致的算法，使用weights就能满足日常需要。但我还是建议你掌握cum_weights的逻辑，以便日后装杯用。

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三、随机打乱一个可迭代对象

random.shuffle(lis)

该用法是对lis的原数据执行打乱操作，本身无返回值，lis将被随机打散，原数据再也回不来了。

lis = ['张飞','马超','荀彧','颜良文丑','毒苹果']
random.shuffle(lis)
print(random.shuffle(lis))
print(lis)
# 运行结果：
None
['颜良文丑', '荀彧', '毒苹果', '张飞', '马超']

因此shuffle()使用起来会有诸多不便。我们可以构建一个自定义的shuffle函数，结合在numpy系列里讲的copy用法，实现对传入对象的打散，且不改变原对象的数据。

import random
import copy

def my_shuffle(lis):
    copy_lis = copy.deepcopy(lis)   # 深拷贝一个副本对象
    try:
        random.shuffle(copy_lis)   # 对副本对象操作打散
    except:
        return None
    return copy_lis

lis = ['张飞','马超','荀彧','颜良文丑','毒苹果']
result = my_shuffle(lis=lis)
print(f'执行打散后的数据：{result}')
print(f'原数据：{lis}')

# 运行结果：
执行打散后的数据：['马超', '颜良文丑', '毒苹果', '荀彧', '张飞']
原数据：['张飞', '马超', '荀彧', '颜良文丑', '毒苹果']

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四、固定某个随机结果

使用random.seed(n)可以将接下来的随机操作结果固定下来，如果后面的代码调用该seed，将复现本次的随机操作，使两次随机结果相同。
参数n可以为整型、浮点型、甚至为字符串。其本身没有任何意义，只作区分本次标记用。
因此要注意，每个seed值对应的随机结果是唯一的。

我们看个抽牌的小游戏，随机从一叠牌中抽取一张，如果抽到了JOKER，则使用seed模仿赌神，再抽一次JOKER出来。

res = ['10', 'J', 'Q', 'K', 'A', 'JOKER']   # 定义几张牌

num = 0
while num < 10:   # 抽10次
    set_seed = random.random()   # 定义一个随机seed, 用于标记本次随机的记录
    random.seed(set_seed)
    get_it = random.choice(res)   # 抽牌
    print(f'本次抽到了{get_it}。')
    if get_it == 'JOKER':
        random.seed(set_seed)   # 如果为JOKER, 则使用本次标记的seed再抽一张JOKER出来
        get_again = random.choice(res)   # 执行第二次抽取
        print(f'触发第二次，本次抽到了{get_again}')
    else:
        pass

    num += 1
    print('- ' * 20)
# 运行结果：
本次抽到了A。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
本次抽到了Q。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
本次抽到了K。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
本次抽到了Q。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 
本次抽到了JOKER。
触发第二次，本次抽到了JOKER
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
本次抽到了Q。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
本次抽到了JOKER。
触发第二次，本次抽到了JOKER
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
本次抽到了Q。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
本次抽到了A。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
本次抽到了A。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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五、生成固定bit大小的随机整数：

random.getrandbits(s)

关于比特位bit和字节Byte的知识：

• 比特位bit指二进制的机器码（0和1），1011 代表4 bit；
• 1 Byte = 8 bit。

用最后一个例子结束random的讲解。生成一个随机bit位的随机数，执行十次看看结果如何：

num = 0
while num < 10:   # 试验十次
    size = random.randint(1,20)   # 定义一个随机大小的bit位（1-19之间）
    result = random.getrandbits(size)   # 生成size大小的随机整数
    result_b = bin(result)   # 转成二进制用做验证
    print(f'''
    第{num+1}次试验：
    生成结果为：{result}，其二进制为：{result_b}
    该数字大小为{size}bit，{round(size/8,2)}byte
    ''')
    num += 1
    print('- ' * 20)
# 运行结果：
    第1次试验：
    生成结果为：3，其二进制为：0b11
    该数字大小为4bit，0.5byte      
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -     
    第2次试验：
    生成结果为：211，其二进制为：0b11010011 
    该数字大小为8bit，1.0byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -     
    第3次试验：
    生成结果为：435，其二进制为：0b110110011
    该数字大小为9bit，1.12byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    第4次试验：
    生成结果为：784，其二进制为：0b1100010000
    该数字大小为14bit，1.75byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    第5次试验：
    生成结果为：33159，其二进制为：0b1000000110000111
    该数字大小为19bit，2.38byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    第6次试验：
    生成结果为：3，其二进制为：0b11
    该数字大小为4bit，0.5byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    第7次试验：
    生成结果为：56，其二进制为：0b111000
    该数字大小为7bit，0.88byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    第8次试验：
    生成结果为：0，其二进制为：0b0
    该数字大小为4bit，0.5byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    第9次试验：
    生成结果为：1，其二进制为：0b1
    该数字大小为2bit，0.25byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    第10次试验：
    生成结果为：26，其二进制为：0b11010
    该数字大小为5bit，0.62byte
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

值得注意的是，我们以2举例，其二进制既可以为10，也可以为0010或00010。

其对应的值相同，只是占的bit大小不同（2bit、4bit、5bit）。