]> git.ipfire.org Git - thirdparty/bind9.git/commitdiff
Make isc_random_uniform() nearly divisionless
authorTony Finch <fanf@isc.org>
Thu, 14 Apr 2022 17:18:12 +0000 (18:18 +0100)
committerTony Finch <fanf@isc.org>
Fri, 22 Apr 2022 15:40:37 +0000 (16:40 +0100)
It used to require two 32-bit integer divisions to get a random number
less than some limit. Now we use Daniel Lemire's "nearly-divisionless"
algorithm for unbiased bounded random numbers, which requires one
64-bit integer multiply in the usual case, and one 32-bit integer
division in rare slow cases. Even the slow cases are faster than
before; there are also fewer branches.

I think this algorithm is exceptionally beautiful. It also has more
clever tricks than lines of code, so I have done my best to explain
how it works.

lib/isc/include/isc/random.h
lib/isc/random.c

index 1e30d0c87d51b8b90c1d2796beddea61a510a0bf..79f1f9de2cb97354aea8cb7338157734290fd4b9 100644 (file)
@@ -54,12 +54,18 @@ isc_random_buf(void *buf, size_t buflen);
 uint32_t
 isc_random_uniform(uint32_t upper_bound);
 /*!<
- * \brief Will return a single 32-bit value, uniformly distributed but
- *        less than upper_bound.  This is recommended over
- *        constructions like ``isc_random() % upper_bound'' as it
- *        avoids "modulo bias" when the upper bound is not a power of
- *        two.  In the worst case, this function may require multiple
- *        iterations to ensure uniformity.
+ * \brief Returns a single 32-bit uniformly distributed random value
+ *        less than upper_bound.
+ *
+ * This is better than ``isc_random() % upper_bound'' as it avoids
+ * "modulo bias" when the upper bound is not a power of two. This
+ * function is also faster, because it usually avoids doing any
+ * divisions (which are typically very slow).
+ *
+ * It uses rejection sampling to ensure uniformity, so it may require
+ * multiple iterations to get a result; the probability of needing to
+ * resample is very small when the upper_bound is small, rising to 0.5
+ * when upper_bound is UINT32_MAX/2.
  */
 
 ISC_LANG_ENDDECLS
index 7eead6608be25b21ff8e43bb5f05a968625357cb..06baaa1aca9f0d21a45b3f1687e08f8cddbb16e7 100644 (file)
@@ -166,41 +166,77 @@ isc_random_buf(void *buf, size_t buflen) {
 }
 
 uint32_t
-isc_random_uniform(uint32_t upper_bound) {
-       /* Copy of arc4random_uniform from OpenBSD */
-       uint32_t r, min;
-
+isc_random_uniform(uint32_t limit) {
        RUNTIME_CHECK(isc_once_do(&isc_random_once, isc_random_initialize) ==
                      ISC_R_SUCCESS);
-
-       if (upper_bound < 2) {
-               return (0);
-       }
-
-#if (ULONG_MAX > 0xffffffffUL)
-       min = 0x100000000UL % upper_bound;
-#else  /* if (ULONG_MAX > 0xffffffffUL) */
-       /* Calculate (2**32 % upper_bound) avoiding 64-bit math */
-       if (upper_bound > 0x80000000) {
-               min = 1 + ~upper_bound; /* 2**32 - upper_bound */
-       } else {
-               /* (2**32 - (x * 2)) % x == 2**32 % x when x <= 2**31 */
-               min = ((0xffffffff - (upper_bound * 2)) + 1) % upper_bound;
-       }
-#endif /* if (ULONG_MAX > 0xffffffffUL) */
-
        /*
-        * This could theoretically loop forever but each retry has
-        * p > 0.5 (worst case, usually far better) of selecting a
-        * number inside the range we need, so it should rarely need
-        * to re-roll.
+        * Daniel Lemire's nearly-divisionless unbiased bounded random numbers.
+        *
+        * https://lemire.me/blog/?p=17551
+        *
+        * The raw random number generator `next()` returns a 32-bit value.
+        * We do a 64-bit multiply `next() * limit` and treat the product as a
+        * 32.32 fixed-point value less than the limit. Our result will be the
+        * integer part (upper 32 bits), and we will use the fraction part
+        * (lower 32 bits) to determine whether or not we need to resample.
         */
-       for (;;) {
-               r = next();
-               if (r >= min) {
-                       break;
+       uint64_t num = (uint64_t)next() * (uint64_t)limit;
+       /*
+        * In the fast path, we avoid doing a division in most cases by
+        * comparing the fraction part of `num` with the limit, which is
+        * a slight over-estimate for the exact resample threshold.
+        */
+       if ((uint32_t)(num) < limit) {
+               /*
+                * We are in the slow path where we re-do the approximate test
+                * more accurately. The exact threshold for the resample loop
+                * is the remainder after dividing the raw RNG limit `1 << 32`
+                * by the caller's limit. We use a trick to calculate it
+                * within 32 bits:
+                *
+                *     (1 << 32) % limit
+                * == ((1 << 32) - limit) % limit
+                * ==  (uint32_t)(-limit) % limit
+                *
+                * This division is safe: we know that `limit` is strictly
+                * greater than zero because of the slow-path test above.
+                */
+               uint32_t residue = (uint32_t)(-limit) % limit;
+               /*
+                * Unless we get one of `N = (1 << 32) - residue` valid
+                * values, we reject the sample. This `N` is a multiple of
+                * `limit`, so our results will be unbiased; and `N` is the
+                * largest multiple that fits in 32 bits, so rejections are as
+                * rare as possible.
+                *
+                * There are `limit` possible values for the integer part of
+                * our fixed-point number. Each one corresponds to `N/limit`
+                * or `N/limit + 1` possible fraction parts. For our result to
+                * be unbiased, every possible integer part must have the same
+                * number of possible valid fraction parts. So, when we get
+                * the superfluous value in the `N/limit + 1` cases, we need
+                * to reject and resample.
+                *
+                * Because of the multiplication, the possible values in the
+                * fraction part are equally spaced by `limit`, with varying
+                * gaps at each end of the fraction's 32-bit range. We will
+                * choose a range of size `N` (a multiple of `limit`) into
+                * which valid fraction values must fall, with the rest of the
+                * 32-bit range covered by the `residue`. Lemire's paper says
+                * that exactly `N/limit` possible values spaced apart by
+                * `limit` will fit into our size `N` valid range, regardless
+                * of the size of the end gaps, the phase alignment of the
+                * values, or the position of the range.
+                *
+                * So, when a fraction value falls in the `residue` outside
+                * our valid range, it is superfluous, and we resample.
+                */
+               while ((uint32_t)(num) < residue) {
+                       num = (uint64_t)next() * (uint64_t)limit;
                }
        }
-
-       return (r % upper_bound);
+       /*
+        * Return the integer part (upper 32 bits).
+        */
+       return ((uint32_t)(num >> 32));
 }