c库的rand/random随机数产生函数性能差？
2024-05-14 15:40:49
有网文称c标准库的rand/random随机数产生函数性能极差。一直信以为真，但从没做过验证。最近因其他因缘，写了些代码专门验证rand/random的性能。结果大出意料，颠覆之前的成见。
结论如下：
1) rand/random性极佳。在64位机器上，其性能大约比简单自增略低30%(32位的自增比64位性能高出1倍以上)！
2) srand/srandom性能极差极差。绝对不能每次调用rand之前都调用srand。这么做不仅没必要，还会极大降低性能，性能只有调用rand的1%！！！
3) rand文档中提到的实现示例也实际实现存在差别，尤其是srand实现！
4) rand的实现起始就是简单的乘法和取模，简单的随机数实现在性能上几乎无法超越系统自带的标准实现！
5) 网上的东西很多真是不靠谱！！！
下面测试代码，代码在64/32位机器都能运行。
编译命令：g++ -o3 -o test random.cpp
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdint.h>
3 #include <vector>
4 #include <algorithm>
5
6 #include <stdlib.h>
7 #include <math.h>
8
9 #include <sys/time.h>
10
11
12 #define NUM_RAND_SEED 100
13
14
15 class Random
16 {
17 public:
18 static int srandom(size_t randSeedNum = NUM_RAND_SEED);
19
20 static size_t random();
21
22 private:
23 static bool m_bInit;
24 static size_t m_count;
25 static std::vector<size_t> m_randSeeds;
26 };
27
28 bool Random::m_bInit = false;
29 size_t Random::m_count = 0;
30 std::vector<size_t> Random::m_randSeeds;
31
32 int Random::srandom( size_t randSeedNum )
33 {
34 m_randSeeds.clear();
35
36 for(size_t i=0; i< randSeedNum; ++i){
37 m_randSeeds.push_back( i );
38 }
39
40 std::random_shuffle(m_randSeeds.begin(), m_randSeeds.end());
41 m_bInit = true;
42
43 printf("Random::srandom\n");
44 return 0;
45 }
46
47 size_t Random::random()
48 {
49 if( ! m_bInit ) {
50 srandom();
51 }
52
53 static size_t size = m_randSeeds.size();
54 return 16777619 * m_randSeeds[ m_count ++ % size ];
55
56 //return 16777619 * m_randSeeds[ m_count ++ % NUM_RAND_SEED ];
57 //return 16777619 * m_randSeeds[ (m_count ++) & 0xffL ];
58 }
59
60 // 简单随机数
61 int MyRandom()
62 {
63 static struct timeval tv;
64 static size_t iCount = 0;
65
66 tv.tv_usec += 54321;
67 if( tv.tv_usec > 1000000){
68 tv.tv_usec -= 1000000;
69 }
70 if( iCount++ % 1000 == 0 ){
71 gettimeofday(&tv, NULL);
72 }
73
74 return tv.tv_usec;
75 }
76
77 // 自增
78 int Inc()
79 {
80 static size_t iCount = 0;
81
82 return iCount++;
83 }
84
85 //
86
87 struct timeval stStartTv;
88
89 //return past time. uint: us
90 long PostTime(struct timeval *pstStartTv)
91 {
92 struct timeval stEndTv;
93 gettimeofday(&stEndTv, NULL);
94 struct timeval* pstCurrTv = &stEndTv;
95
96 long sec, usec = 0;
97 sec = pstCurrTv->tv_sec - pstStartTv->tv_sec;
98 if ((usec = pstCurrTv->tv_usec - pstStartTv->tv_usec) < 0) {
99 sec--;
100 usec += 1000000;
101 }
102 usec += sec*1000000;
103
104 return usec;
105 }
106
107 void LogPastTime(struct timeval *pstStartTv, const char* sStep)
108 {
109 long usec = PostTime(pstStartTv);
110
111 printf("%s: Past time: %ld ms\n", sStep, usec / 1000);
112 }
113
114 #define STAT_NUM 100
115
116 // 自增函数
117 void TestInc(size_t count)
118 {
119 gettimeofday(&stStartTv, NULL);
120 size_t arrCount[STAT_NUM] = {0};
121 printf("Test Inc...\n");
122
123 for(size_t i=0; i<count; ++i){
124 size_t rand = Inc();
125 arrCount[ rand % STAT_NUM ]++;
126 }
127
128 printf("Total count: %lu\n", count);
129 for(size_t i=0; i<STAT_NUM; ++i){
130 printf("%lu: count=%lu, ratio=%f\n", i, arrCount[i], arrCount[i] * 1.0 / count);
131 }
132
133 LogPastTime(&stStartTv, "Inc");
134 printf("Test Inc.\n");
135 }
136
137 // 简单自增
138 void TestInc2(size_t count)
139 {
140 gettimeofday(&stStartTv, NULL);
141 size_t arrCount[STAT_NUM] = {0};
142 printf("Test Inc...\n");
143
144 static size_t icount = 0;
145 for(size_t i=0; i<count; ++i){
146 size_t rand = icount ++;
147 arrCount[ rand % STAT_NUM ]++;
148 }
149
150 printf("Total count: %lu\n", count);
151 for(size_t i=0; i<STAT_NUM; ++i){
152 printf("%lu: count=%lu, ratio=%f\n", i, arrCount[i], arrCount[i] * 1.0 / count);
153 }
154
155 LogPastTime(&stStartTv, "Inc");
156 printf("Test Inc.\n");
157 }
158
159 //
160 void TestMyRandom(size_t count)
161 {
162 Random::srandom(); // not cala time
163
164 gettimeofday(&stStartTv, NULL);
165 size_t arrCount[STAT_NUM] = {0};
166 printf("Test My Random...\n");
167
168 for(size_t i=0; i<count; ++i){
169 size_t rand = Random::random();
170 arrCount[ rand % STAT_NUM ]++;
171 }
172
173 printf("Total count: %lu\n", count);
174 for(size_t i=0; i<STAT_NUM; ++i){
175 printf("%lu: count=%lu, ratio=%f\n", i, arrCount[i], arrCount[i] * 1.0 / count);
176 }
177
178 LogPastTime(&stStartTv, "MyRandom");
179 printf("Test My Random.\n");
180 }
181
182 // 简单随机数
183 void TestSimpleRandom(size_t count)
184 {
185 gettimeofday(&stStartTv, NULL);
186 size_t arrCount[STAT_NUM] = {0};
187 printf("Test Simple Random...\n");
188
189 for(size_t i=0; i<count; ++i){
190 size_t rand = MyRandom();
191 arrCount[ rand % STAT_NUM ]++;
192 }
193
194 printf("Total count: %lu\n", count);
195 for(size_t i=0; i<STAT_NUM; ++i){
196 printf("%lu: count=%lu, ratio=%f\n", i, arrCount[i], arrCount[i] * 1.0 / count);
197 }
198
199 LogPastTime(&stStartTv, "Simple Random");
200 printf("Test Simple Random.\n");
201 }
202
203 // random
204 void TestRandom(size_t count)
205 {
206 gettimeofday(&stStartTv, NULL);
207 size_t arrCount[STAT_NUM] = {0};
208 printf("Test Random...\n");
209
210 for(size_t i=0; i<count; ++i){
211 size_t rand = random();
212 arrCount[ rand % STAT_NUM ]++;
213 }
214
215 printf("Total count: %lu\n", count);
216 for(size_t i=0; i<STAT_NUM; ++i){
217 printf("%lu: count=%lu, ratio=%f\n", i, arrCount[i], arrCount[i] * 1.0 / count);
218 }
219
220 LogPastTime(&stStartTv, "Sys Random");
221 printf("Test Random.\n");
222 }
223
224 // rand
225 void TestRand(size_t count)
226 {
227 gettimeofday(&stStartTv, NULL);
228 size_t arrCount[STAT_NUM] = {0};
229 printf("Test Rand...\n");
230
231 for(size_t i=0; i<count; ++i){
232 size_t r = rand();
233 arrCount[ r % STAT_NUM ]++;
234 }
235
236 printf("Total count: %lu\n", count);
237 for(size_t i=0; i<STAT_NUM; ++i){
238 printf("%lu: count=%lu, ratio=%f\n", i, arrCount[i], arrCount[i] * 1.0 / count);
239 }
240
241 LogPastTime(&stStartTv, "Sys Rand");
242 printf("Test Rand.\n");
243 }
244
245 // 调用srand 和rand
246 void TestRand2(size_t count)
247 {
248 gettimeofday(&stStartTv, NULL);
249 size_t arrCount[STAT_NUM] = {0};
250 printf("Test Rand (and srand)...\n");
251
252 for(size_t i=0; i<count; ++i){
253 srand(i);
254 size_t r = rand();
255 arrCount[ r % STAT_NUM ]++;
256 }
257
258 printf("Total count: %lu\n", count);
259 for(size_t i=0; i<STAT_NUM; ++i){
260 printf("%lu: count=%lu, ratio=%f\n", i, arrCount[i], arrCount[i] * 1.0 / count);
261 }
262
263 LogPastTime(&stStartTv, "Sys Rand");
264 printf("Test Rand.\n");
265 }
266
267
268 int main(int argc, char** argv)
269 {
270 size_t count = 10000;
271 if( argc > 2){
272 count = strtol(argv[2], NULL, 0);
273 }
274
275 if( argc < 2){
276 printf("Usage: %s mode [count]\n", argv[0]);
277 exit(0);
278 }
279
280 int mode = strtol(argv[1], NULL, 0);
281 switch( mode )
282 {
283 case 0:
284 TestInc(count);
285 break;
286
287 case 1:
288 TestMyRandom(count);
289 break;
290
291 case 2:
292 TestSimpleRandom(count);
293 break;
294
295 case 3:
296 TestRandom(count);
297 break;
298
299 case 4:
300 TestRand(count);
301 break;
302
303 case 5:
304 TestRand2(count);
305 break;
306
307 case 6:
308 TestInc2(count);
309 break;
310
311
312 default:
313 printf("Unsupport mode: %d\n", mode);
314 }
315
316 return 0;
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