源码解析python中randint函数的效率缺陷

2022-06-08 16:09:55 作者： bastgia

这篇文章主要介绍了源码解析python中randint函数的效率缺陷，通过讨论 random 模块的实现，并讨论了一些更为快速的生成伪随机整数的替代方法展开主题，需要的盆友可以参考一下

一、前言

前几天，在写一个与差分隐私相关的简单程序时，我发现了一些奇怪的东西：相对于其他的随机数生成函数，Python的random.randint()函数感觉很慢。由于 randint() 是 Python 中最为常用的生成随机整数的API，因此我决定深入挖掘其实现机制以了解其运行效率较低的原因。

本文深入探讨了 random 模块的实现，并讨论了一些更为快速的生成伪随机整数的替代方法。

二、对randint()运行效率的测试

首先，我们可以先观察一下random.randint()的运行效率：

$ python3 -m timeit -s 'import random' 'random.random()'
10000000 loops, best of 3: 0.0523 usec per loop
$ python3 -m timeit -s 'import random' 'random.randint(0, 128)'
1000000 loops, best of 3: 1.09 usec per loop

很明显，在生成一个大小在[0, 128]中的随机整数的成本，大约是在生成大小在[0, 1)之间的随机浮点数的 20 倍。

三、从源码分析randint()的缺陷

接下来，我们将从python的源码，来解析randint()的实现机制。

random.random()

首先从random()开始说。该函数定义在Lib/random.py文件中，函数random.random() 是Random类的random方法的别名，而Random.random()直接从_Random继承了random方法。继续向下追溯就会发现，random方法的真正定义是在Modules/_randommodule.c中实现的，其实现代码如下：

static PyObject *
random_random(RandomObject *self, PyObject *Py_UNUSED(ignored))
{
    uint32_t a=genrand_int32(self)>>5, b=genrand_int32(self)>>6;
    return PyFloat_FromDouble((a*67108864.0+b)*(1.0/9007199254740992.0));
}

其中 getrand_int32() 函数是一个C语言实现的梅森旋转算法，其能够快速生成伪随机数。

总结一下，当我们在Python中调用random.random()时，该函数直接调用了C函数，而该C函数唯一的功能就是：生成随机数，并将genrand_int32()的结果转换为浮点数，除此之外没有做任何额外的步骤。

random.randint()

现在让我们看看randint()的实现代码：

def randint(self, a, b):
    """Return random integer in range [a, b], including both end points.
    """
    return self.randrange(a, b+1)

randint函数会调用randrange()函数，因此我们再观察randrange()的源码。

def randrange(self, start, stop=None, step=1, _int=int):
    """Choose a random item from range(start, stop[, step]).

    This fixes the problem with randint() which includes the
    endpoint; in Python this is usually not what you want.
    """
    # This code is a bit messy to make it fast for the
    # common case while still doing adequate error checking.
    istart = _int(start)
    if istart != start:
        raise ValueError("non-integer arg 1 for randrange()")
    if stop is None:
        if istart > 0:
            return self._randbelow(istart)
        raise ValueError("empty range for randrange()")

    # stop argument supplied.
    istop = _int(stop)
    if istop != stop:
        raise ValueError("non-integer stop for randrange()")
    width = istop - istart
    if step == 1 and width > 0:
        return istart + self._randbelow(width)
    if step == 1:
        raise ValueError("empty range for randrange() (%d,%d, %d)" % (istart, istop, width))

    # Non-unit step argument supplied.
    istep = _int(step)
    if istep != step:
        raise ValueError("non-integer step for randrange()")
    if istep > 0:
        n = (width + istep - 1) // istep
    elif istep < 0:
        n = (width + istep + 1) // istep
    else:
        raise ValueError("zero step for randrange()")
    if n <= 0:
        raise ValueError("empty range for randrange()")
    return istart + istep*self._randbelow(n)

在调用下一层的函数之前，randrange()需要对于函数参数进行大量的检查。不过，如果我们不是用stop参数，那么检查速度就会快一些，经过一堆检查之后，才可以调用_randbelow()方法。

默认情况下，_randbelow() 被映射到 _randbelow_with_getrandbits()：

def _randbelow_with_getrandbits(self, n):
    "Return a random int in the range [0,n).  Raises ValueError if n==0."

    getrandbits = self.getrandbits
    k = n.bit_length()  # don't use (n-1) here because n can be 1
    r = getrandbits(k)          # 0 <= r < 2**k
    while r >= n:
        r = getrandbits(k)
    return r

从该函数的源码可以发现：该函数的逻辑是计算出n的位数，而后按照位数生成随机比特，因此当n的大小不为2的次幂时，该函数可能需要多次调用getrandbits()。getrandbits()是一个利用C语言定义的函数，该函数最终也会调用 getrand_int32()，但由于该函数相对于 random() 函数需要更多的处理过程，导致其运行速度慢两倍。

总而言之，通过python代码或者C代码都可以调用由C所定义的函数。由于 Python 是字节码解释的，因此，任何在调用C函数之前的，用python语言定义的处理过程，都会导致函数的运行速度比直接调用 C 函数慢很多。

这里有几个实验可以帮助我们检验这个假设。首先，让我们尝试在 randrange 中通过调用没有stop参数的 randrange 来减少中间的参数检查过程，提高程序执行的速度：

$ python3 -m timeit -s 'import random' 'random.randrange(1)'
1000000 loops, best of 3: 0.784 usec per loop

正如预期的那样，由于中间运行过程的减少，此时randrange()运行时间比原始的 randint() 好一些。可以在 PyPy 中重新运行比较运行时间。

$ pypy -m timeit -s 'import random' 'random.random()'
100000000 loops, best of 3: 0.0139 usec per loop
$ pypy -m timeit -s 'import random' 'random.randint(0, 128)'
100000000 loops, best of 3: 0.0168 usec per loop

正如预期的那样，PyPy 中这些调用之间的差异很小。

四、更快的生成随机整数的方法

所以 randint() 结果非常慢。当只需要生成少量随机数的时候，可以忽视该函数带来的性能损失，当需要生成大量的随机数时，就需要寻找一个效率够高的方法。

random.random()

一个技巧就是使用random.random()代替，乘以我们的整数限制从而得到整数，由于random()可以生成均匀的[0,1)分布，因此扩展之后也可以得到整数上的均匀分布：

$ python3 -m timeit -s 'import random' 'int(128 * random.random())'
10000000 loops, best of 3: 0.193 usec per loop

这为我们提供了 [0, 128)范围内的伪随机整数，速度更快。需要注意的是：Python 以双精度表示其浮点数，精度为 53 位。当限制超过 53 位时，我们将使用此方法获得的数字不是完全随机的，多的位将丢失。如果不需要这么大的整数，就可以忽视这个问题。

直接使用 getrandbits()

另一种生成伪随机整数的快速方法是直接使用 getrandbits()：

$ python3 -m timeit -s 'import random' 'random.getrandbits(7)'
10000000 loops, best of 3: 0.102 usec per loop

此方法快速，但是生成数据范围有限：它支持的范围为[0,2^n]。如果我们想限制范围，取模的方法无法做到范围的限制——这会扭曲分布；因此，我们必须使用类似于上面示例中的 _randbelow_with_getrandbits()中的循环。但是会减慢速度。

使用 Numpy.random

最后，我们可以完全放弃 random 模块，而使用 Numpy：

$ python3 -m timeit -s 'import numpy.random' 'numpy.random.randint(128)'
1000000 loops, best of 3: 1.21 usec per loop

生成单个数据的速度很慢。那是因为 Numpy 不适合仅用于单个数据：numpy能够将成本摊销在用 C语言创建or操作的大型数组上。为了证明这一点，下边给出了生成 100 个随机整数所需时间：

$ python3 -m timeit -s 'import numpy.random' 'numpy.random.randint(128, size=100)'
1000000 loops, best of 3: 1.91 usec per loop

仅比生成单个慢 60%！每个整数 0.019 微秒，这是目前最快的方法——比调用 random.random() 快 3 倍。这种方法如此之快的原因是Numpy将调用开销分摊到所有生成的整数上，并且在 Numpy 内部运行一个高效的 C 循环来生成它们。总之，如果要生成大量随机整数，建议使用 Numpy；如果只是一次生成一个，它可能没有特别高效。

到此这篇关于源码解析python中randint函数的效率缺陷的文章就介绍到这了,更多相关 python randint 内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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