Pythonを用いたガチャシミュレーションの速度向上について

前提

Pythonを使ってソーシャルゲームのガチャのシミュレーションを行いたいのですが、単純に random.random() をfor文で繰り返し行うのでは1億回の計算で47秒かかってしまいました。
更に精度を上げたいですが、これ以上は10億回で10分、100億回で100分と、指数関数的に計算時間が増えてしまうため、なにか良い案は無いかと思い質問させていただきました。

実現したいこと

random.random() の繰り返しによるソーシャルゲームのガチャのシミュレーションプログラムの計算速度向上。

何かライブラリを使用して高速化する案、プログラムの無駄を指摘して高速化する案などをお答えいただきたいです。

せめて1000億回程度を数分以内に行えるようにと考えていますが、早ければ早いほど良いです。

シミュレーションのコード

Python
1from random import random
2
3from tqdm import tqdm
4
5
6RATE4 = 0.051
7RATE4UP = 0.511
8RATE5 = 0.006
9RATE5UP = 0.324
10
11
12class Wish():
13    def __init__(self) -> None:
14        self.count4 = 0
15        self.count5 = 0
16    
17    def wish(self):
18        return self.get_rarity()
19    
20    def get_rarity(self):
21        self.set_th()
22
23        th = random()
24        if th < self.th5:
25            self.count4 += 1
26            self.count5 = 0
27            return 5
28        elif th < self.th4:
29            self.count4 = 0
30            self.count5 += 1
31            return 4
32        else:
33            self.count4 += 1
34            self.count5 += 1
35            return 3
36    
37    def set_th(self):
38        if self.count5 < 75:
39            self.th5 = RATE5
40        elif self.count5 < 89:
41            self.th5 = RATE5UP
42        else:
43            self.th5 = 1
44        
45        if self.count4 < 8:
46            self.th4 = self.th5 + RATE4
47        elif self.count4 < 9:
48            self.th4 = self.th5 + RATE4UP
49        else:
50            self.th4 = 1
51
52
53wish = Wish()
54
55count5 = 0
56count4 = 0
57
58COUNT = 100000000
59for _ in tqdm(range(COUNT)):
60    result = wish.wish()
61    if result == 5:
62        count5 += 1
63    elif result == 4:
64        count4 += 1
65
66print('★4: ' + str(count4 * 100 / COUNT) + '%')
67print('★5: ' + str(count5 * 100 / COUNT) + '%')
68

Demerara

2023/01/03 08:29 編集

出力される値は毎回ほぼ同じですがどういった意図がありますか？このコードにどんな挙動、及び結果を期待しますか？場合によっては、random.choices() や random.sample() あたりが使えそうです。それを非同期 (asyncio) で回せばそれなりに速くなるような気がします。追記：よくよく考えたら非同期にするとタスクを一時的に保存しておくメモリが足りなくなりますね。numpy 使っても条件は変わらないし、下のお二方の言う通りコンパイル言語を使うのが現実的な気がします。

melian

2023/01/03 04:49

他のプログラミング言語(C, C++, Rust などのコンパイラ)で実装してみてはどうでしょうか。例えば、質問にある Python コードでは80秒、Golang version 1.20pre では 2.4秒でした。

meg_

2023/01/03 04:51

速くしたいのであれば、コンパイル言語を使ってみるのはどうでしょうか？

行動規範の内容に同意します

回答1件

面白い質問だったので、Pythonでどんなものか試しました。
結果、概算3%の時間(x34くらい)で処理できました。

条件	秒数
Numbaなし	452秒
Numbaあり	13秒ちょい

Pythonだけで高速化するポイントは、

Numbaを使えば雑なやり方でも早くできる
Numbaで処理するには、Numbaで捌きたい関数（do_it()）の中身（Wish）もNumbaで捌ける形でなければならない。そうしないとコケる。
Numpyの普段使いうる関数はNumbaでサポートしているが、tqdmの様なモジュールには対応していない。tqdmのようなモジュールはやむを得ずコメントアウトするのが望ましい。

やっていないのに生意気なことを言うなら、

ちゃんと並列化するともっとはやいはず（例えばThreading.threadで4つThreadを使って、全量の1/4ずつしょりなど）

Python3
1from numba import jit, f4, f8, i8
2from numba import jitclass
3
4from random import random
5
6from tqdm import tqdm
7import time
8
9spec = [
10        ("count4", i8),
11        ("count5", i8),
12        ("RATE4", f4),
13        ("RATE4UP", f4),
14        ("RATE5", f4),
15        ("RATE5UP", f4),
16        ("th4", f8),
17        ("th5", f8),
18
19
20    ]
21
22@jitclass(spec)
23class Wish():
24
25    def __init__(self) -> None:
26        self.count4 = 0
27        self.count5 = 0
28
29        ##############################
30        self.RATE4 = 0.051
31        self.RATE4UP = 0.511
32        self.RATE5 = 0.006
33        self.RATE5UP = 0.324
34    
35    def wish(self):
36        return self.get_rarity()
37    
38    def get_rarity(self):
39        self.set_th()
40
41        th = random()
42        if th < self.th5:
43            self.count4 += 1
44            self.count5 = 0
45            return 5
46        elif th < self.th4:
47            self.count4 = 0
48            self.count5 += 1
49            return 4
50        else:
51            self.count4 += 1
52            self.count5 += 1
53            return 3
54    
55    def set_th(self):
56        if self.count5 < 75:
57            self.th5 = self.RATE5
58        elif self.count5 < 89:
59            self.th5 = self.RATE5UP
60        else:
61            self.th5 = 1
62        
63        if self.count4 < 8:
64            self.th4 = self.th5 + self.RATE4
65        elif self.count4 < 9:
66            self.th4 = self.th5 + self.RATE4UP
67        else:
68            self.th4 = 1
69
70@jit()
71def do_it():
72    wish = Wish()
73
74    count5 = 0
75    count4 = 0
76
77    COUNT = 100000000
78    # for _ in tqdm(range(COUNT)):
79    for _ in range(COUNT):
80        result = wish.wish()
81        if result == 5:
82            count5 += 1
83        elif result == 4:
84            count4 += 1
85    return count4, count5,COUNT 
86
87time_start = time.time()
88count4 ,count5,COUNT  = do_it()
89print("ELAPSED:",time.time()-time_start ,"[sec]")
90print('★4: ' + str(count4 * 100 / COUNT) + '%')
91print('★5: ' + str(count5 * 100 / COUNT) + '%')
92