c++ - 在类中使用随机生成器时的性能问题

Question

我的目标是使用 Mersenne Twister 创建一个围绕 Boost 均匀实数分布的包装器，以便使其在库中可用。所以我创建了一个像这样的基本类:

class mt19937
{
protected:
   boost::random::mt19937 gen_;
   boost::random::uniform_real_distribution<double> real_;
public:
   mt19937(unsigned long s = 5489UL) : gen_(s), real_(0., 1.) {};
   double get() { return real_(gen_); };
};

尽管运行性能测试，我发现我的类比直接调用 Boost 对象慢得多。事实上，下面的代码对 100 亿个数字进行采样，在我的机器上需要 30 秒:

constexpr unsigned long seed = 5489UL;
constexpr size_t iter = 100000;
double x = 0.;

boost::random::mt19937 gen(seed);
boost::random::uniform_real_distribution<double> real(0., 1.);

for (size_t i = 0; i < iter; ++i)
   for (size_t j = 0; j < iter; ++j)
      x = real(gen);

上面描述的类mt19937，使用以下代码，大约需要70秒:

mt19937 stduniform(seed);

for (size_t i = 0; i < iter; ++i)
   for (size_t j = 0; j < iter; ++j)
      x = stduniform.get();

查看 Windows 中的汇编程序，在第一种情况下，为 x = real(gen) 执行的代码如下，在我看来，这只是对 boost::random 的调用: :detail::generate_uniform_real 以及对 x 的赋值:

00007FF6D14639F0  movzx       r9d,byte ptr [r15]  
00007FF6D14639F4  lea         rcx,[gen]  
00007FF6D14639F9  movaps      xmm2,xmm7  
00007FF6D14639FC  movaps      xmm1,xmm8  
00007FF6D1463A00  call        boost::random::detail::generate_uniform_real<boost::random::mersenne_twister_engine<unsigned int,32,624,397,31,2567483615,11,4294967295,7,2636928640,15,4022730752,18,1812433253>,double> (07FF6D146141Ah)

使用函数get()，我看到以下指令 - 它似乎对寄存器执行了一些我无法解释的操作和跳转:

00007FF6D1463B61  movsd       xmm3,mmword ptr [rbp+900h]  
00007FF6D1463B69  lea         rcx,[stduniform]  
00007FF6D1463B6E  movsd       xmm4,mmword ptr [rbp+8F8h]  
00007FF6D1463B76  movaps      xmm2,xmm3  
00007FF6D1463B79  mulsd       xmm2,xmm6  
00007FF6D1463B7D  movaps      xmm1,xmm4  
00007FF6D1463B80  mulsd       xmm1,xmm6  
00007FF6D1463B84  movaps      xmm0,xmm2  
00007FF6D1463B87  subsd       xmm0,xmm1  
00007FF6D1463B8B  comisd      xmm0,xmm7  
00007FF6D1463B8F  jbe         main+2F8h (07FF6D1463B98h)  
00007FF6D1463B91  call        boost::random::detail::generate_uniform_real<boost::random::mersenne_twister_engine<unsigned int,32,624,397,31,2567483615,11,4294967295,7,2636928640,15,4022730752,18,1812433253>,double> (07FF6D14615D7h)  
00007FF6D1463B96  jmp         main+307h (07FF6D1463BA7h)  
00007FF6D1463B98  movzx       r9d,byte ptr [rbx]  
00007FF6D1463B9C  movaps      xmm2,xmm3  
00007FF6D1463B9F  movaps      xmm1,xmm4  
00007FF6D1463BA2  call        boost::random::detail::generate_uniform_real<boost::random::mersenne_twister_engine<unsigned int,32,624,397,31,2567483615,11,4294967295,7,2636928640,15,4022730752,18,1812433253>,double> (07FF6D146141Ah)

对函数(应内联)的调用执行 100 亿次是否可能会增加此开销？您对 boost 性能的代码有什么建议吗？

我在Windows环境下工作，使用VisualStudio2015的vc14编译器，Boost 1.7.1。我在 Linux 机器上的 gcc4.9 中观察到类似的行为，其中直接调用 Boost 需要 30 秒，而新类需要 45 秒。

非常感谢您的宝贵时间。

Answer 1

您强调的“我无法解释的一些寄存器操作”:

00007FF6D1463B61  movsd       xmm3,mmword ptr [rbp+900h]  
00007FF6D1463B69  lea         rcx,[stduniform]  
00007FF6D1463B6E  movsd       xmm4,mmword ptr [rbp+8F8h]  
00007FF6D1463B76  movaps      xmm2,xmm3  
00007FF6D1463B79  mulsd       xmm2,xmm6  
00007FF6D1463B7D  movaps      xmm1,xmm4  
00007FF6D1463B80  mulsd       xmm1,xmm6  
00007FF6D1463B84  movaps      xmm0,xmm2  
00007FF6D1463B87  subsd       xmm0,xmm1  
00007FF6D1463B8B  comisd      xmm0,xmm7  
00007FF6D1463B8F  jbe         main+2F8h (07FF6D1463B98h)  

似乎与generate_uniform_real中的以下几行匹配:

T result = numerator / divisor * (max_value - min_value) + min_value;
if(result < max_value) return result;

因此编译器似乎无法将 min_value 和 max_value 参数内联到此函数。

无论如何，我无法在以下方面重现显着的性能差异:

• Apple clang 版本 11.0.0 (clang-1100.0.33.17)
• boost 1.69.0_2