.NET8极致性能优化-Random

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前言

.NET8的性能优化是方方面面的，随机数值的优化同样需要进步。本篇来看下Random的优化。

详细

在Ramdom的优化里面，issuse:dotnet/runtime#79790提供了一个中性范围函数URF(unbiased range functions)。当调用像Ramdom.Next(int min, int max)函数的时候，需要提供min到max范围内的值。为了提供一个中性的答案，.NET7实现生成一个32位的值。简单点来说，就是取最大值的log2(设最大值为x,取x的2的幂数)，并进行移位丢弃。得到的结果检查下，是否小于最大值。如果是，作为返回答案。如果不是，拒绝该值(这个过程称之为[拒绝采样]),并且重复循环这个过程，直到得到结果为止。使用新的方法，它实现了模数(之前使用模数得到随机结果)减少(例如 Next() % max)。除了用更简单的乘法和移位替代了更昂贵的模数，它中间穿插了一个拒绝采样略微下降性能。但它纠正的偏差发生频率更低，因此耗时的可能性发生的频率也更低。这样Random方法在性能和吞吐量上获得了更好的提升。

下面看下测试结果，这里需要注意Random从PGO中可以获得提升，因为Random使用的内部抽象可以被去虚拟化，所以下面展示了启动和未启用PGO的影响。

// dotnet run -c Release -f net7.0 --filter "*"


using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Configs;
using BenchmarkDotNet.Environments;
using BenchmarkDotNet.Jobs;
using BenchmarkDotNet.Running;


var config = DefaultConfig.Instance
    .AddJob(Job.Default.WithId(".NET 7").WithRuntime(CoreRuntime.Core70).AsBaseline())
    .AddJob(Job.Default.WithId(".NET 8 w/o PGO").WithRuntime(CoreRuntime.Core80).WithEnvironmentVariable("DOTNET_TieredPGO", "0"))
    .AddJob(Job.Default.WithId(".NET 8").WithRuntime(CoreRuntime.Core80));
BenchmarkSwitcher.FromAssembly(typeof(Tests).Assembly).Run(args, config);


[HideColumns("Error", "StdDev", "Median", "RatioSD", "EnvironmentVariables")]
public class Tests
{
    private static readonly Random s_rand = new();


    [Benchmark]
    public int NextMax() => s_rand.Next(12345);
}

MethodruntimeMeanRatioNextMax.NET 7.05.793 ns1.00NextMax.NET 8.0 w/o PGO1.840 ns0.32NextMax.NET 8.01.598 ns0.28

dotnet/runtime#87219 由 @MichalPetryka 提出，然后进一步对此进行了优化，以适用于长值。算法的核心部分涉及将随机值乘以最大值，然后取乘积的低位部分：

UInt128 randomProduct = (UInt128)maxValue * xoshiro.NextUInt64();
ulong lowPart = (ulong)randomProduct;

这可以通过不使用 UInt128 的乘法实现，而是使用 Math.BigMul 来提高效率

ulong randomProduct = Math.BigMul(maxValue, xoshiro.NextUInt64(), out ulong lowPart);

它是通过使用 Bmi2.X64.MultiplyNoFlags 或 Armbase.Arm64.MultiplyHigh 内部函数来实现的，当其中一个可用时。

// dotnet run -c Release -f net7.0 --filter "*" --runtimes net7.0 net8.0


using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;


BenchmarkSwitcher.FromAssembly(typeof(Tests).Assembly).Run(args);


[HideColumns("Error", "StdDev", "Median", "RatioSD", "EnvironmentVariables")]
public class Tests
{
    private static readonly Random s_rand = new();


    [Benchmark]
    public long NextMinMax() => s_rand.NextInt64(123456789101112, 1314151617181920);
}

MethodRuntimeMeanRatioNextMinMax.NET 7.09.839 ns1.00NextMinMax.NET 8.01.927 ns0.20

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文章来源： https://blog.csdn.net/sD7O95O/article/details/135709339
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