为什么 rand() 比 arc4random() 快得多？

Question

我正在编写一个需要快速整数随机数生成的游戏人工智能。该游戏适用于Mac OS，因此有两种选择rand()（纯C）和arc4random()（BSD）。我没有发现这两个函数在速度上有任何比较，所以我写了一个小程序来测试：

long i;

// Record timestamp here.
srand((unsigned int)time(NULL));
for (i = 0; i < 999999999; ++i) {
    rand();
}
// Record timestamp here.
for (i = 0; i < 999999999; ++i) {
    arc4random();
}
// Record timestamp here and print all three.

我测试了好几次。结果相当稳定：srand()999999999次迭代rand()大约需要6秒，而arc4random()需要更长的时间（大约30秒）。

有什么原因arc4random()需要更长的时间吗？或者我的测试有什么缺陷。谢谢你！

Answer 1

你的结果是合理的。

这两个函数是为不同的目的而设计的，并且它们基于完全不同类别的伪随机数生成器。

rand()是一个伪随机数生成器（PRNG），通常作为线性同余生成器（LCG）实现，其速度相当快，但通常具有众所周知的不良统计特性。

arc4random()是一种加密安全伪随机数生成器(CSPRNG)，通常速度较慢，但​​也适合加密使用，这意味着它比 PRNG 具有更高的随机性统计质量。根据此处、此处和此处的文档：

该函数最初在 OpenBSD 中实现时，使用 RC4 密码来生成输出流。OpenBSD 现在使用 ChaCha20 流密码。

和

RC4 是由 RSA Data Security, Inc. 设计的。它被匿名发布到 USENET 上，并被多个有权访问原始密码的消息来源确认为等效的。由于 RC4 曾经是商业秘密，因此该密码现在称为 ARC4。

了解两类伪随机数生成器之间的区别非常重要。

PRNG专为您所关心的（理想情况下）大量统计随机性的目的而设计：您想要模拟随机性的字段。

CSPRNG的设计目的是后者根本不够，但还需要大量的不可预测性（即使生成器算法完全已知）：密码学领域。

因此，您不需要 CSPRNG 来生成具有高质量统计随机性的数字。您所需要的只是一个高质量的 PRNG。rand()无处可去，并且arc4random()是超调。

请参阅此页面了解简单、现代、高质量的随机数生成器。