Ruby の標準乱数生成器とその改善案

Ruby の標準乱数生成器とその改良案The standard random number generator of Ruby and the proposal to improve it

村田　賢太Kenta Murata

12009年7月18日土曜日

Kenta Murata, Ph.D

‣Ph.D (Hokkaido University)‣Department of Information Science.

‣Born on July 20th 【COMING SOON】

‣Membership‣Ruby Sapporo (ruby-sapporo.org)‣KaigiFreaks ‣Nihon Ruby-no kai‣Kosen Conference (kosenconf.jp)

My RubyKaigi 2008

Photo by snoozer05 in Flickr http://www.flickr.com/photos/snoozer/2605952121/4

My RubyKaigi 2008Photo by darashi in Flickr http://www.flickr.com/photos/darashi/2598246980/5

KaigiFreaks 2008

Photo by snoozer05 in Flickr http://www.flickr.com/photos/snoozer/2605971795/6

KaigiFreaks は今年もRuby 会議を

全世界へお届けします！

Photo by snoozer05 in Flickr http://www.flickr.com/photos/snoozer/2605971795/2009年7月18日土曜日

PPHPPHPPHPPPプロが選んだ三ツ星レシピ！！いまさら聞けない・誰も教えてくれない本当に必要な知識と技を一冊に凝縮！！困ったときにすぐ引ける！実践で即役立つテクニックと開発ノウハウ、つまづきやすい・ハマりやすいポイントを徹底解説。

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・主要レンタルサーバーの設定法と違い

・セキュリティ対策のポイントと実際

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島田浩二／設樂洋爾／村田賢太前田智樹／谷口文威

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★ ★ ★本書について

　　Rubyの世界はとても広大であり、Rubyに慣れ親しんだ者

でさえ道に迷ってしまうことが多々あります。多くのライブラ

リ、多くの実装手段が存在するため、適切な解決策へたどり

着くまでに迷ってしまうのです。そのため、Rubyを始めたば

かりの人達が適切な解決策へたどり着くことは至難の業と言

えるでしょう。Rubyの入門書の多くは、このための道案内を

してはくれません。

　本書は、開発の現場で直面する現実の問題をRubyで解決

する方法や、そのために必要な知識やノウハウを、レシピ形

式で紹介する本です。実際の現場で扱うことの多いレシピ

を関連するカテゴリや目的別にまとめています。技術や概念

の説明は必要最低限にとどめ、「やりたいこと」を実現する

ために「どのようなライブラリや機能をどう使えばよいか」を、

サンプルコードを交えてわかりやすく簡潔に解説しています。

　本書のもう1つの目的は、Rubyコミュニティで漠然と共有さ

れているRubyらしい考え方を学ぶことです。リファレンスや

チュートリアルの形ではなく、さまざまなライブラリが実際の

問題をどのように解決しているかを知ることで、Rubyプログラ

マの考え方とその根底にある哲学を学ぶことができます。

そうした考え方さえ身に付けることができれば、あなたは自

然とRubyを使いこなし自力で問題を解けるようになっている

ことでしょう。

　本書が、Rubyによる楽しいプログラミングの一助となれば

幸いです。

（「はじめに」より抜粋）

CONTENTS

1 さあ始めよう RubyGemsや実行環境のカスタマイズなど、 Rubyやライブラリを使いこなす環境を整える方法を解説

2 基本オブジェクト文字列、数値、コレクションなどを扱うための知識・テクニックを解説

3 システム日付や時刻、標準入出力、ファイルシステムなどを扱うための知識・テクニックを解説

4 オブジェクト指向プログラミング OOPの技法や慣習をRubyで実現する方法、Rubyプログラミングの際の考え方などを解説

5 データベース／永続化各種データベースの操作やオブジェクトを永続化する方法について解説

6 ネットワーク処理／ WebプログラミングさまざまなプロトコルやWebサーバー／クライアント、並列分散処理を扱う方法を解説

7 各種フォーマット／画像現場で利用することの多い書式や画像を扱う方法について解説

8 他言語／外部ライブラリ Ruby以外の言語や外部ライブラリを扱う方法について解説

9 エラー処理／ログアプリケーションを作り込む際に必要なエラー処理やログの記録を行なう方法について解説

10 テスト／最適化コードの評価を行なう際に必要なテストや各種指標の計測を行なう方法について解説

11 デバッグデバッガでRubyプログラムをデバッグする方法や各種デバッグ技法などを解説

12 システム管理／自動化システム管理や作業を自動化する方法を解説

13 ドキュメンテーション／パッケージ化 APIドキュメントを生成する方法やプログラム配布のためにパッケージ化する方法を解説

14 さらに先へ Ruby 1.9の基本やRubyに関する情報収集の方法など、今後の学習に役立つ情報を紹介

Ruby逆引きレシピISBN978-4-7981-1988-5

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Visual Basic 2008 逆引きレシピ

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中垣健志／藤田聡著定価2,520円（本体2,400円＋税5％）ISBN978-4-7981-1780-5

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西沢直木著定価2,310円（本体2,200円＋税5％）ISBN978-4-7981-1779-9

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提　供

Ruby札幌From Sapporo, with Love for Ruby

どうぞよろしくお願いします

今日のまとめ

‣Kernel#rand だけじゃ足りないよ！

‣Math/Random ライブラリを作っているよ

‣目指せ Random クラスの標準添付！

乱数のおさらい

ことばの使い方‣乱数列‣直前までに得られた部分列から次の数を予測できない数列

‣乱数‣乱数列から取り出した数

‣乱数生成器‣乱数列を出力する情報源

乱数列は3種類ある

‣真の乱数列

‣2つの疑似乱数列

‣Monte Carlo 法用疑似乱数列

‣暗号論的疑似乱数列

Monte Carlo 法用疑似乱数列

‣今日の主役‣周期は有限‣できるだけ長いほうが良い

‣一様性‣出力される乱数の分布が偏ってないこと

‣再現性‣できるだけ簡単に乱数列を再現できること

長い周期・一様性・再現性‣長い周期‣周期が長ければ、部分列のパターンが多用になり、無作為性が高まる

‣一様性‣偏りが小さいほど次の乱数が予測しにくい‣一様分布乱数から任意の分布の乱数を作れる

‣再現性‣再現できないとテストができない

例: さいころ‣ srand 13‣1000.times.map { 1 + rand 6 }‣=> [3, 1, 3, 1, 3, 5, 2, 5, 3, 4, 3, 5, 3, 6, 6, 3,

2, 4, 5, 3, 1, 4, 6, 4, 4, 6, 4, 2, 3, 1, 5, 4, 1, 5, 3, 3, 5, 6, 4, 6, 1, 4, 3, 1, 6, 2, 1, 2, 6, 6, 3, 4, 3, 4, 4, 4, 1, 3, 1, 3, 6, 6, 5, 4, 6, 1, 6, 2, 6, 2, 5, 4, 3, 2, 5, 4, 1, 6, 6, 6, 4, 2, 2, 2, 1, 3, 4, 5, 3, 6, 2, 5, 4, 2, 4, 2, 3, 2, 4, 5, 1, 5, 5, 4, 5, 4, 6, 6, 1, 4, 4, 4, 2, 1, 5, 6, 2, 2, 3, 1, 3, 3, 3, 2, 3, 5, 1, 3, 2, 5, 2, 1, 1, 2, 4, 5, 1, 4, 5, 1, ...]

例: マルチスレッドならどうなる？

✓srand 13✓a = Thread.start do

1000.times.map{ 1 + rand(6) }end

✓b = Thread.start do 1000.times.map{ 1 + rand(6) }end

‣=> [3, 1, 3, 1, 3, 5, 2, 5, 3, 4, 3, 5, 3, 6, 6, 3, 2, 4, 5, 3, 1, 4, 6, 4, 4, 6, 4, 2, 3, 1, 5, 4, 1, 5, 3, 3, 5, 6, 4, 6, 1, 4, 3, 1, 6, 2, 1, 2, 6, 6, 3, 4, 3, 4, 4, 4, 1, 3, 1, 3, 6, 6, 5, 4, 6, 1, 6, 2, 6, 2, 5, 4, 3, 2, 5, 4, 1, 6, 6, 6, 4, 2, 2, 2, 1, 3, 4, 5, 3, 6, 2, 5, 4, 2, 4, 2, ...]

例: マルチスレッドならどうなる？

‣=> [3, 1, 3, 1, 3, 5, 2, 5, 3, 4, 3, 5, 3, 6, 6, 3, 2, 4, 5, 3, 1, 4, 6, 4, 4, 6, 4, 2, 3, 1, 5, 4, 1, 5, 3, 3, 5, 6, 4, 6, 1, 4, 3, 1, 6, 2, 1, 2, 6, 6, 3, 4, 3, 4, 4, 4, 1, 3, 1, 3, 6, 6, 5, 4, 6, 1, 6, 2, 6, 2, 5, 4, 3, 2, 5, 4, 1, 6, 6, 6, 4, 2, 2, 2, 1, 3, 4, 5, 3, 6, 2, 5, 4, 2, 4, 2, ...]

例: こうならない理由はない！

‣=> [3, 1, 3, 1, 3, 5, 2, 5, 3, 4, 3, 5, 3, 6, 6, 3, 2, 4, 5, 3, 1, 4, 6, 4, 4, 6, 4, 2, 3, 1, 5, 4, 1, 5, 3, 3, 5, 6, 4, 6, 1, 4, 3, 1, 6, 2, 1, 2, 6, 6, 3, 4, 3, 4, 4, 4, 1, 3, 1, 3, 6, 6, 5, 4, 6, 1, 6, 2, 6, 2, 5, 4, 3, 2, 5, 4, 1, 6, 6, 6, 4, 2, 2, 2, 1, 3, 4, 5, 3, 6, 2, 5, 4, 2, 4, 2, ...]

乱数はムズイ

‣複数の並行処理でひとつの乱数生成器を共有すると一様性とか色々崩れる ><

‣使い方を間違えると悲惨な結果を招く事例が乱数には幾つもある

‣何度も srand しちゃう人いるよね orz

Ruby の標準乱数生成器

‣Kernel#rand

‣乱数を出力する

‣Kernel#rand

‣Kernel#srand

‣乱数生成器の状態を初期化する

‣Kernel#rand

‣Kernel#srand

‣乱数生成器の状態を初期化する

‣これだけ！！

不親切！26

Ruby の標準乱数生成器は不親切

‣何が足りないか？

‣複数の生成器への対応

‣状態のシリアライズとリストア

‣一様分布以外の分布関数

‣拡張ライブラリへの御心遣い

Ruby に相応しい乱数生成器とは？

乱数生成器のインタフェース

‣どうせ作るなら

‣野良配布ではなく標準添付がいい

‣【急募】 Ruby 的なインタフェース

Matz says...

‣標準添付する乱数生成アルゴリズムは一つ

‣乱数生成器のオブジェクト化には賛成

‣クラス名は Random

実は既に提案されていた

‣2007年に ruby-dev で議論された‣ [ruby-dev:31206] に当時の trunk 用 patch

‣Kernel#srand を削除‣Matz がこれに引っかかる

‣2007年に ruby-dev で議論された‣ [ruby-dev:31206] に当時の trunk 用 patch

‣Kernel#srand を削除‣Matz がこれに引っかかる

‣いつの間にかこの話題も消え・・・

いつの間にか話題が消え・・・

‣ていなかた！

‣昨日の15時頃に Random クラスが trunk にコミットされた！ちょｗｗｗ

‣昨日の16時頃まで、この講演資料は Random

クラスが無いことを前提に作っていました

最新の Ruby は？

‣何が足りないか？

‣複数の生成器への対応

‣状態のシリアライズとリストア

‣一様分布以外の分布関数

‣拡張ライブラリへの御心遣い

足りない物たち

‣複数の生成器への対応‣Array#shuffle などが使う乱数が

Kernel#rand に固定されている‣分布関数を組み合せた乱数生成器を

Array#sample で使う方法‣分布関数‣正規分布と離散分布は欲しい

Math/Random

‣https://github.com/mrkn/ruby-math-random/tree/master‣間に合いませんでした ><

‣標準乱数生成器では足りない機能を補うことを目的とするライブラリ

‣ASAP で公開します

Math/Random の主な機能

‣実装済み‣2つの生成アルゴリズム‣Mersenne Twister (MT19937AR)‣SFMT (SFMT19937)

‣2つの分布関数‣正規分布‣離散分布

Math/Random の主な機能

‣まだ実装できてないもの‣たくさんの生成アルゴリズム‣ Lagged Fibonacci、Blum-Blum-Shub、線型合同法、などなど

‣たくさんの分布関数‣指数分布、Erlang 分布、などなど

‣拡張ライブラリ対応のインタフェース‣スレッドローカルで Kernel#rand の置き換えるやつ

お前はどうしたいんだ？

‣元々は Random クラスを組み込みで提供させたかった

‣もう叶っちゃった！

‣でも、なんか足りない

‣足りない部分を補強してやろう

今日のまとめ

‣ Kernel#rand だけじゃ足りないよ

‣昨日の15時に解決したｗｗｗ

‣Math/Random ライブラリを作っているよ

‣目指せ Random クラスの標準添付!

‣昨日の15時に解決したｗｗｗ

‣まだ EXPERIMENTAL なので、少しずつ洗練させよう

Ruby の標準乱数生成器とその改善案

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