randbench

乱数ジェネレータ性能比較

Java の SecureRandom を利用して、以下の実装のスループットを比較します。

• Java 標準搭載
  • NativePRNG
  • NativePRNGBlocking
  • NativePRNGNonBlocking
• Intel 64 命令セット
  • RDRAND
  • RDSEED
• Linux システムコール
  • getramdom(2) （ブロッキングモード）
  • getramdom(2) （ノンブロッキングモード）

前提条件

• Java 22 以降
• Linux カーネル 3.17 以降
• glibc 2.25 以降

比較対象詳細

Java 標準搭載

SecureRandom 数値生成アルゴリズム で紹介されている、Linux の random 系デバイスファイルをソースとする疑似乱数ジェネレータを使用します。 java.security.egd システムプロパティや securerandom.source セキュリティプロパティが設定されていないデフォルト状態では、各実装（アルゴリズム）は以下をソースとする組み合わせで初期化されます。

OpenJDK 22 GA のソースコード： https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-22-ga/src/java.base/unix/classes/sun/security/provider/NativePRNG.java#L130

• NativePRNG
  • 乱数シード： /dev/random
  • 乱数生成（next 系メソッドで利用）： /dev/urandom
• NativePRNGBlocking
  • 乱数シード： /dev/random
  • 乱数生成（next 系メソッドで利用）： /dev/random
• NativePRNGNonBlocking
  • 乱数シード： /dev/urandom
  • 乱数生成（next 系メソッドで利用）： /dev/urandom

Intel 64 命令セット

RDRAND と RDSEED を使用します。どちらの命令も最大で 8 バイト（64 bit）の書き込みのサポートとなるため、今回実験する 256 バイトの乱数生成を行うために、繰り返し各命令を実行します。

命令実行のため ffmasm を用いて各命令実行用の機械語を生成します。

Linux システムコール

getrandom(2) で乱数を生成します。manpage より、256 バイトまではシグナル割り込みを受けず値を即返すことができるため、このベンチマークでは 256 バイトの乱数生成を試験条件とします。

Java では getrandom(2) を呼び出す API は用意されないため、Foreign Function & Memory API で実行します。

試験条件

• Java ヒープサイズ 8GB（ -Xms8g -Xmx8g ）
• GC アルゴリズムは Epsilon
• -XX:+AlwaysPreTouch を付与
• 256 バイトの乱数を 10 秒間に生成するスループットを 3 回測定する
• Intel 64 命令セットは ffmasm で直接実行する
  • コード生成は FFMHelper.java で行う
• getrandom(2) は FFM で呼び出す
• FFM で呼び出す RDRAND / RDSEED / getrandom(2) は critical function として定義し、生成した乱数の書き込み先は Java ヒープ上の byte[] とする

ビルド

mvn package

実行

テスト実行

FFM で呼び出す RDRAND / RDSEED / getrandom(2) （ GRND_RANDOM つき） / getrandom(2) （ GRND_NONBLOCK ）については生成した乱数の一部を確認できます。

mvn exec:java

ベンチマーク実行

mvn package で生成した JAR は JMH と結合済みのため、実行するだけでベンチマークできます。

java -jar target/randbench-0.1.0.jar