Optimize RNG use in std::sample selection sampling
authorEelis van der Weegen <eelis@eelis.net>
Fri, 21 Oct 2016 15:55:07 +0000 (15:55 +0000)
committerJonathan Wakely <redi@gcc.gnu.org>
Fri, 21 Oct 2016 15:55:07 +0000 (16:55 +0100)
2016-10-21  Eelis van der Weegen  <eelis@eelis.net>

* include/bits/stl_algo.h (__gen_two_uniform_ints): Move logic out
of shuffle into new function.
(shuffle): Call __gen_two_uniform_ints.
(__sample<ForwardIterator, OutputIterator, Cat, Size, URBG>): Use
__gen_two_uniform_ints and perform two samples at a time.

From-SVN: r241414

libstdc++-v3/ChangeLog
libstdc++-v3/include/bits/stl_algo.h

index 51e9653..fef7aa9 100644 (file)
@@ -1,3 +1,11 @@
+2016-10-21  Eelis van der Weegen  <eelis@eelis.net>
+
+       * include/bits/stl_algo.h (__gen_two_uniform_ints): Move logic out
+       of shuffle into new function.
+       (shuffle): Call __gen_two_uniform_ints.
+       (__sample<ForwardIterator, OutputIterator, Cat, Size, URBG>): Use
+       __gen_two_uniform_ints and perform two samples at a time.
+
 2016-10-21  Jonathan Wakely  <jwakely@redhat.com>
 
        * include/Makefile.am: Add <bits/refwrap.h> and <bits/std_function.h>.
index 6c771bb..3ecb33b 100644 (file)
@@ -3741,6 +3741,37 @@ _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
 
 #ifdef _GLIBCXX_USE_C99_STDINT_TR1
   /**
+   *  @brief Generate two uniformly distributed integers using a
+   *         single distribution invocation.
+   *  @param  __b0    The upper bound for the first integer.
+   *  @param  __b1    The upper bound for the second integer.
+   *  @param  __g     A UniformRandomBitGenerator.
+   *  @return  A pair (i, j) with i and j uniformly distributed
+   *           over [0, __b0) and [0, __b1), respectively.
+   *
+   *  Requires: __b0 * __b1 <= __g.max() - __g.min().
+   *
+   *  Using uniform_int_distribution with a range that is very
+   *  small relative to the range of the generator ends up wasting
+   *  potentially expensively generated randomness, since
+   *  uniform_int_distribution does not store leftover randomness
+   *  between invocations.
+   *
+   *  If we know we want two integers in ranges that are sufficiently
+   *  small, we can compose the ranges, use a single distribution
+   *  invocation, and significantly reduce the waste.
+  */
+  template<typename _IntType, typename _UniformRandomBitGenerator>
+    pair<_IntType, _IntType>
+    __gen_two_uniform_ints(_IntType __b0, _IntType __b1,
+                          _UniformRandomBitGenerator&& __g)
+    {
+      _IntType __x
+       = uniform_int_distribution<_IntType>{0, (__b0 * __b1) - 1}(__g);
+      return std::make_pair(__x / __b1, __x % __b1);
+    }
+
+  /**
    *  @brief Shuffle the elements of a sequence using a uniform random
    *         number generator.
    *  @ingroup mutating_algorithms
@@ -3773,8 +3804,10 @@ _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
       typedef typename std::uniform_int_distribution<__ud_type> __distr_type;
       typedef typename __distr_type::param_type __p_type;
 
-      typedef typename std::remove_reference<_UniformRandomNumberGenerator>::type _Gen;
-      typedef typename std::common_type<typename _Gen::result_type, __ud_type>::type __uc_type;
+      typedef typename remove_reference<_UniformRandomNumberGenerator>::type
+       _Gen;
+      typedef typename common_type<typename _Gen::result_type, __ud_type>::type
+       __uc_type;
 
       const __uc_type __urngrange = __g.max() - __g.min();
       const __uc_type __urange = __uc_type(__last - __first);
@@ -3801,13 +3834,12 @@ _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
        while (__i != __last)
        {
          const __uc_type __swap_range = __uc_type(__i - __first) + 1;
-         const __uc_type __comp_range = __swap_range * (__swap_range + 1);
 
-         std::uniform_int_distribution<__uc_type> __d{0, __comp_range - 1};
-         const __uc_type __pospos = __d(__g);
+         const pair<__uc_type, __uc_type> __pospos =
+           __gen_two_uniform_ints(__swap_range, __swap_range + 1, __g);
 
-         std::iter_swap(__i++, __first + (__pospos % __swap_range));
-         std::iter_swap(__i++, __first + (__pospos / __swap_range));
+         std::iter_swap(__i++, __first + __pospos.first);
+         std::iter_swap(__i++, __first + __pospos.second);
        }
 
        return;
@@ -5695,9 +5727,52 @@ _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_ALGO
     {
       using __distrib_type = uniform_int_distribution<_Size>;
       using __param_type = typename __distrib_type::param_type;
+      using _USize = make_unsigned_t<_Size>;
+      using _Gen = remove_reference_t<_UniformRandomBitGenerator>;
+      using __uc_type = common_type_t<typename _Gen::result_type, _USize>;
+
       __distrib_type __d{};
       _Size __unsampled_sz = std::distance(__first, __last);
-      for (__n = std::min(__n, __unsampled_sz); __n != 0; ++__first)
+      __n = std::min(__n, __unsampled_sz);
+
+      // If possible, we use __gen_two_uniform_ints to efficiently produce
+      // two random numbers using a single distribution invocation:
+
+      const __uc_type __urngrange = __g.max() - __g.min();
+      if (__urngrange / __uc_type(__unsampled_sz) >= __uc_type(__unsampled_sz))
+        // I.e. (__urngrange >= __unsampled_sz * __unsampled_sz) but without
+       // wrapping issues.
+        {
+         while (__n != 0 && __unsampled_sz >= 2)
+           {
+             const pair<_Size, _Size> p =
+               __gen_two_uniform_ints(__unsampled_sz, __unsampled_sz - 1, __g);
+
+             --__unsampled_sz;
+             if (p.first < __n)
+               {
+                 *__out++ = *__first;
+                 --__n;
+               }
+
+             ++__first;
+
+             if (__n == 0) break;
+
+             --__unsampled_sz;
+             if (p.second < __n)
+               {
+                 *__out++ = *__first;
+                 --__n;
+               }
+
+             ++__first;
+           }
+        }
+
+      // The loop above is otherwise equivalent to this one-at-a-time version:
+
+      for (; __n != 0; ++__first)
        if (__d(__g, __param_type{0, --__unsampled_sz}) < __n)
          {
            *__out++ = *__first;