随机数生成器性能因平台而异

Question

我正在 C++ 中测试随机数生成器的性能，并得到了一些我不明白的非常奇怪的结果。

我已经测试了 std::rand 与使用 std::minstd_rand 的 std::uniform_real_distribution 。

计时 std::rand 代码

auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    std::rand();

auto finish = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::chrono::duration<double> elapsed = finish - start;
std::cout << "Elapsed time: " << elapsed.count() * 1000 << " ms\n";

使用 std:minstd_rand 计时 std::uniform_real_distribution 的代码

std::minstd_rand Mt(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch().count());
std::uniform_real_distribution<float> Distribution(0, 1);

auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    Distribution(Mt);

auto finish = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::chrono::duration<double> elapsed = finish - start;
std::cout << "Elapsed time: " << elapsed.count() * 1000 << " ms\n";

使用 Microsoft Visual Studio 2019 进行编译时，在 Dell Latitude 7390 (I7-8650U 1.9Ghz) 上，我获得以下速度：

std::rand -> 经过时间：45.7106 ms std::uniform_real_distribution -> 经过时间：65.7437 ms

我使用 -D__FMA__ 的附加命令行选项打开了编译器优化

但是，在 MacOS High Sierra (1.4Ghz i5) 上的 MacBook Air 上使用 g++ 进行编译时，我得到以下速度：

std::rand -> 经过时间：9.4547 ms std::uniform_real_distribution -> 经过时间：7.9e-05 ms

使用终端命令“g++ prng.cpp -o prng -std=c++17 -O3”

另一个问题是，在 Mac 上，测试 uniform_real_distribution 的速度，如果我打印/不打印值，速度会有所不同。

所以

std::minstd_rand Mt(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch().count());
std::uniform_real_distribution<float> Distribution(0, 1);

float num;

auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    num = Distribution(Mt);

auto finish = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::chrono::duration<double> elapsed = finish - start;
std::cout << "Elapsed time: " << elapsed.count() * 1000 << " ms\n";
std::cout << num << '\n';

会给我 5.82409 毫秒的时间

而没有打印，我得到 7.9e-05 毫秒，请注意，打印仅影响uniform_real_distribution 的测试，我不需要为 std::rand 执行此操作。我还使用 mersenne 进行了测试，而不是没有遇到同样的问题。

我最初认为这是编译器优化省略了 Uniform_real_distribution 当它没有被存储/打印时，因为变量没有被使用，因此可以省略，但是为什么编译器不对 std::rand 做同样的事情，为什么这些随机函数在 Mac 上的运行速度是否比 Windows 快？

编辑：为了澄清，mersenne 指的是 std::mt19937_64 被用于 Uniform_real_distribution 而不是 std::minstd_rand。

Answer 1

C++ 标准库中的所有发行版（包括uniform_real_distribution）都使用实现定义的算法。（这同样适用于std::rand，它遵循 C 标准的rand功能。）因此，在 C++ 标准库的不同实现中，这些分布之间的性能差异很自然。另请参阅此答案。

您可能想尝试测试 C++ 随机引擎（例如std::minstd_rand和std::mt19937）中是否存在性能差异，它们确实在 C++ 标准中指定了固定算法。为此，请直接在引擎中生成一个随机数，而不是通过任何 C++ 发行版，例如uniform_int_distribution或uniform_real_distribution。

我最初认为这是编译器优化省略了 Uniform_real_distribution 当它没有被存储/打印时因为变量没有被使用，因此可以省略，但是为什么编译器不对 std::rand[?] 做同样的事情？

我认为编译器可以进行这种优化，因为在实践中，C++ 标准库是作为编译器可用的 C++ 代码实现的，因此编译器可以根据需要对该代码执行某些优化。这与 with 不同std::rand，后者仅作为编译器无法实现的函数实现，限制了编译器可以执行的优化。