与例如 Java 相比，F# 性能较差。我究竟做错了什么？

Question

我目前正在尝试使用 F# 进行编程。因此，我编写了一个简单的 F# 脚本以非常愚蠢的方式计算 PI。我已经用许多编程语言编写了这个算法，但这次它的执行速度很慢，我不知道我做错了什么。与我的 Java 版本相比，这里的速度大约慢 10-20 倍（在我的机器上通过按 Alt+Enter 在 VS Code 中运行大约 10-15 sek），这是很多（在我看来）。

算法的想法是在一个 1 x 1 的正方形上扔飞镖，里面有一个圆圈。圆接触正方形的边缘。如果飞镖击中圆圈，它就会被计算在内。投出所有飞镖后，您只需将飞镖命中数除以飞镖总数，然后乘以 4 即可得到 PI。

我尝试了很多方法来解决我的错误，但找不到。

• 我试图用固定值替换随机数生成 -> 没有做太多
• 我试图用恒定值替换 Math.Sqrt -> 没有做太多
• 我用数组替换了 Seq.xxx 调用，同时希望这会减少开销。-> 没有做太多

PS：我知道这种计算 Pi 的方法很糟糕。但这不是我在这里试图提出的重点。

open System

let random = Random(DateTime.Now.Millisecond)
let throwDart i = (random.NextDouble(), random.NextDouble())

let distance dart point = let (x1, y1), (x2, y2) = dart, point
                          (x2 - x1, y2 - y1)
let length distance = let (x, y) = distance
                      Math.Sqrt(x * x + y * y)

let isInside circle dartHit = 
        let (center, radius) = circle 
        distance center dartHit |> length  |> (fun x -> x < radius)

let circle = ((0.5, 0.5), 0.5)

let dartCount = 100000000

let dartSeqence = Seq.init dartCount throwDart
let pi = float(dartSeqence |> Seq.filter (isInside circle) |> Seq.length) / float(dartCount) * 4.0

也许有人知道我做错了什么。我希望 F# 在这项任务中表现出色，因为它是一个非常简单直接的算法。

我在这里先向您的帮助表示感谢。

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更新 1：

嗨，再次运行我的 Java 代码后，我有点失望，因为我认为它更快。这是大约运行的代码。在我的机器上 4.4 秒：

import java.util.Random;

public class DartThrower{
    Random random;

    public DartThrower(){
        random = new Random();
    }
    public boolean throwDart(){
        double x = random.nextDouble();
        double y = random.nextDouble();
        // wenn Entfernung des Punktes vom Mittelpunkt (0.5|0.5) größer als 0.5 ist wird false ausgegeben
        boolean inTheCircle = Math.sqrt((0.5 - x) * (0.5 - x) + (0.5 - y) * (0.5 - y)) <= 0.5;  
        return inTheCircle;
    }
}

class PiCalculator{
    public static void main(String[] args){
        long start = System.currentTimeMillis();
        double hitCount = 0.0;
        double throwCount = 100000000L;
        DartThrower thrower = new DartThrower();

        for (long i = 0; i < throwCount; i++){
            boolean hit = thrower.throwDart();
            hitCount += hit ? 1 : 0;
        }
        double a = hitCount / throwCount;
        double pi = a * 4.0;
        System.out.println("Pi= " + pi);
        System.out.println("took " + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
    }
}

对不起，但我认为时间不到 1 秒 - 这就是为什么我说执行速度快 10-20 倍。那不正确！在我重新确定我在时间上的错误之后，我决定为两者添加一些时间戳并得到

• 爪哇：约。4.3s
• F#：大约。13.0s

因此，这两者之间的系数为 3-4。如果我尝试使用@Tomas Petricek 的性能更新，这种差异可能会过时。我会试试，然后告诉你结果。

感谢您一直以来的帮助。

Answer 1

通过用一个简单的可变变量和一个for循环替换惰性序列，您可以使其速度提高约 2 倍（这在性能关键的 F# 代码中没有什么不好）：

let mutable count = 0
for i in 0 .. dartCount do
  if isInside circle (throwDart i) then count <- count + 1
let pi = float count / float dartCount * 4.0

您可以通过创建函数来提高性能（在我的粗略测试中大约为 30%）inline，这可能会消除一些作为元组的值的装箱：

let inline distance dart point = 
  let (x1, y1), (x2, y2) = dart, point
  (x2 - x1, y2 - y1)

let inline length distance = 
  let (x, y) = distance
  Math.Sqrt(x * x + y * y)

let inline isInside circle dartHit = 
  let (center, radius) = circle 
  length (distance center dartHit) < radius

有了这个，我没有看到任何明显的问题（但我可能会遗漏一些东西）。最好能看到您的 Java 代码进行比较，因为可能会有一些影响性能的细微逻辑变化。