为什么 Random.NextBytes() “出奇的慢”？

Question

来自Fastest way to generate a random boolean，CodesInChaos在评论中说：

MS 搞砸了NextBytes 的实现，所以速度出奇的慢。

[...] 性能与为每个字节调用 Next 一样糟糕，而不是利用所有 31 位。但由于System.Random 几乎在每个级别都有糟糕的设计和实现，这是我较小的抱怨之一。

他为什么说微软几乎在每个层面都进行了设计和实现？

Random 类是如何错误实现的？

Answer 1

当然我不能看他的内心，但System.Random很奇怪。

InternalSample() 返回一个非负的int，它不能是int.MaxValue。一开始这听起来并没有那么糟糕，但这意味着它具有几乎（但不完全）31 个可用位的随机性。这使事情变得复杂，例如有效地实现NextBytes(byte[] buffer).. 它甚至没有尝试过！它这样做：

for (int index = 0; index < buffer.Length; ++index)
    buffer[index] = (byte) (this.InternalSample() % 256);

对InternalSample 的调用次数大约是必要次数的 4 倍。 % 256 也没有用，无论如何转换为字节都会被截断。这也是有偏差的，255 的可能性略比任何其他结果都小，因为内部样本不可能是int.MaxValue。

但情况会变得更糟。例如，NextDouble 使用 this.InternalSample() * 4.6566128752458E-10。这可能不是很明显，但4.6566128752458E-10 是1.0 / int.MaxValue。令人讨厌的是，它不是 2 的幂，所以它是一个“混乱”的数字，导致相邻可能结果之间的差距不均匀。

更糟糕的是，Next(int) 和 Next(int, int) 的算法本质上是有偏差的，因为它们只是简单地缩放一个随机双精度数并且什么都不拒绝。它也不是特别快，这通常是避免拒绝抽样的原因。

总的来说，它也相当慢。它是一个减法生成器，一个相对不为人知的 PRNG，显然还不错，但它有一个很大的状态（播种速度很慢，缓存占用空间很大）和采样算法中的一堆烦人的操作。当然，它的质量比基本 LCG 更好，但它受到有偏差的缩放方法和糟糕的性能的严重影响。

界面设计也很烦人。由于任何地方的上限都是互斥的，因此没有简单的方法可以在 [0 .. int.MaxValue] 或 [int.MinValue .. int.MaxValue] 中生成样本，这两者都相当普遍。独占上限通常可以很好地避免奇怪的 -1，提供无法获得全范围样本的方法只是烦人。当然可以通过NextDouble完成，但是由于NextDouble的输入已经不是全范围的样本，结果必然有偏差。

我可能遗漏了一些不足之处。