优化C ++ 11随机生成器的使用

Question

我正在使用随机数对物理模拟进行大量编码，我只是第一次对我的代码进行了描述，所以我在阅读输出时可能会出错，但我看到这条线先出现了：

   %   cumulative   self              self     total           
 time   seconds   seconds    calls  ms/call  ms/call  name  
 90.09     21.88    21.88   265536     0.08     0.08  std::mersenne_twister_engine<unsigned long, 32ul, 624ul, 397ul, 31ul, 2567483615ul, 11ul, 4294967295ul, 7ul, 2636928640ul, 15ul, 4022730752ul, 18ul, 1812433253ul>::operator()()

这似乎意味着生成数字生成器占用了90％的时间。 我之前已经写过一篇文章，询问如果不在每个循环中构建随机概率分布可以节省我的时间，但在尝试和计时后它没有帮助（Is defining a probability distribution costly?）。是否有优化随机数生成的常用选项？

提前感谢您，我的模拟（在当前状态下）运行了几天，因此减少90％的计算时间将是一个重大进展。

Answer 1

在效率，即速度和大小（状态的字节数）与另一方面的任何RNG的“随机性”之间总是存在权衡。梅森捻线机具有相当好的随机性（假设您使用高熵种子，例如std::random_device提供的），但速度慢且具有大状态。 std::minstd_rand或std::knuth_b（线性同余）更快且ranlux48（Fibbonacci）更快，但随机性更低（通过较少的随机性测试，即具有一些非随机光谱属性）。如果您对所提供的随机性感到满意（即在随机数据中没有未预料到的相关性），只需进行实验和测试。

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编辑： 1 当然，所有这些RNG并非真正随机，并且对于加密也不够随机。如果您需要，请使用std::random_device，但不要抱怨速度。 2 并行（您应该考虑），使用thread_local个RNG，每个RNG用另一个种子初始化。

Answer 2

如果您的代码花费大部分时间生成随机数，您可能需要花一些时间为您的应用选择最佳算法并自行实现。 Mersenne Twister是一种非常快速的算法，并且具有良好的随机性，但您总是可以权衡生成的随机数的一些质量以获得更高的速度。它取决于您的模拟需求以及您生成的数字类型（整数或浮点数）。如果你绝对需要良好的随机性，Mersenne Twister可能已经是你最好的选择之一。否则，您可能希望在代码中实现简单的linear congruential generator。

需要注意的另一件事是，如果你的代码是并行的，你应该使用随机数生成器的可重入版本，并确保不同的线程使用自己的内部状态变量作为它们的生成器。否则，为了避免覆盖生成器的内部状态变量，互斥锁会大大减慢代码的速度。很多图书馆生成器都不是可重入的，请注意。如果您的代码不是并行的，您应该并行化并使用单独的线程填充随机数列表以供模拟使用。另一种选择是使用GPU并行生成随机数。

以下是一些比较不同发电机性能的链接： http://www.boost.org/doc/libs/1_38_0/libs/random/random-performance.html https://www.gnu.org/software/gsl/manual/html_node/Random-Number-Generator-Performance.html

Answer 3

使用专用的随机数库。

我建议WELL512（链接包含论文和源代码）。

Answer 4

Marsaglia的KISS RNG速度很快，适合模拟工作。我假设您不需要加密质量。

Answer 5

如果随机性要求允许，您可以使用RDTSC instruction获取随机数，例如int from0to9 = rdtsc() % 10。