[Rust] Rust 纪元第 382 周最佳 crate：ibig 的实践，以及和 num crate 的比较
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Summary: Rust 纪元第 382 周，评出的周最佳 crate 是大数计算方面的 `ibig`。结合目前使用较广的大数计算 crate `num`，采用 2 种阶乘的不同实现方式，进行实践。
Rust 纪元第 382 周，评出的周最佳 crate 是大数计算相关的 ibig。目前在 github 星星数量不足 50，还处于开发初期。
虽然以前的 Rust 开发中，大数计算方面使用的是 num crate 的 BigInt 和 BigUint，完全满足需求。但是查阅到 ibig 提供的基准测试，性能挺不错。所以本文结合目前使用较广的大数计算 crate num，采用 2 种阶乘的不同实现方式，进行实践。尝试一下，看是否进行 crate 替换。
大数计算的概念，就不赘述。我们设想一个 1000000000 甚至更大的阶乘，不使用大数计算相关 crate，显然是跑不起来的。下面，我们使用 num 和 ibig 进行测试和比较。
准备
为了仅测试 num 和 ibig，我们创建一个单独的工程，并引入 chrono 进行时间的简单计算。执行如下命令：
cargo new bigint
cd ./bigint
cargo add num ibig chrono
阶乘测试和比较
第一种阶乘实现方式
如上一步所示，我们使用的都是最新版本。下面，我们进行阶乘编码的实现，采用两种方式编写。先看第一种：
use chrono::prelude::*;
use ibig::prelude::*;
use num::bigint::{BigInt, ToBigInt};
fn factorial_num1(x: u32) -> BigInt {
if let Some(mut factorial) = 1.to_bigint() {
for i in 1..(x + 1) {
factorial = factorial * i;
}
factorial
} else {
panic!("阶乘计算失败");
}
}
fn factorial_ibig1(x: u32) -> UBig {
if let Some(mut factorial) = Some(UBig::from(1 as u16)) {
for i in 1..(x + 1) {
factorial = factorial * UBig::from(i);
}
factorial
} else {
panic!("阶乘计算失败");
}
}
fn main() {
let n: u32 = 100;
// num crate 大数计算
let start_num: DateTime<Local> = Local::now();
println!("{}! 阶乘，num crate 计算： {:#x}", n, factorial_num1(n));
let end_num: DateTime<Local> = Local::now();
let time_num = end_num - start_num;
println!("{:?}", &time_num);
// ibig-rs crate 大数计算
let start_ibig: DateTime<Local> = Local::now();
println!("{}! 阶乘，ibig crate 计算： {:#x}", n, factorial_ibig1(n));
let end_ibig: DateTime<Local> = Local::now();
let time_ibig = end_ibig - start_ibig;
println!("{:?}", &time_ibig);
// ibig-rs 是否更快？
println!("ibig-rs 快了这么多：{:#?}", time_num - time_ibig);
}
我们以发布模式命令 cargo run --release 执行计算，返回结果大抵如下所示（secs 正值时表示 num 慢，否则快）：
cargo run --release
100! 阶乘，num crate 计算： 0x1b30964ec395dc24069528d54bbda40d16e966ef9a70eb21b5b2943a321cdf10391745570cca9420c6ecb3b72ed2ee8b02ea2735c61a000000000000000000000000
Duration { secs: 0, nanos: 1093700 }
100! 阶乘，ibig crate 计算： 0x1b30964ec395dc24069528d54bbda40d16e966ef9a70eb21b5b2943a321cdf10391745570cca9420c6ecb3b72ed2ee8b02ea2735c61a000000000000000000000000
Duration { secs: 0, nanos: 343900 }
ibig-rs 快了这么多：Duration {
secs: 0,
nanos: 749800,
}
因为 100 以上的阶乘中，计算结果非常大，非常占页面空间，所以本文页面就不做结果展示。如果感兴趣，请你通过修改 n 值，进行测试。
笔者的测试结果，在 1000 以下的阶乘中，ibig 确实是快了一些，但没有超过 1 秒。在 10000 时，互有领先，总体来说 num 还是性能占优，和 ibig 相比大约 7:3 的优势。当 100000 时，num 会快到 4 秒左右；大于 100000 及以后，运行很慢，笔者只跑了一次，测试结果不具实际意义。
第二种阶乘实现方式
编码方式的不同，对于性能也有一定的影响，所以细读 ibig 的文档后，进行了第二种阶乘实现：
use chrono::prelude::*;
use ibig::prelude::*;
use num::bigint::{BigInt, ToBigInt};
fn factorial_num2(a: u32, b: u32) -> BigInt {
if b == a + 1 {
a.to_bigint().unwrap()
} else {
let mid = a + (b - a) / 2;
factorial_num2(a, mid) * factorial_num2(mid, b)
}
}
fn factorial_ibig2(a: u32, b: u32) -> UBig {
if b == a + 1 {
UBig::from(a)
} else {
let mid = a + (b - a) / 2;
factorial_ibig2(a, mid) * factorial_ibig2(mid, b)
}
}
fn main() {
let n: u32 = 100000;
// num crate 大数计算
let start_num: DateTime<Local> = Local::now();
println!(
"{}! 阶乘，num crate 计算： {:#x}",
n,
factorial_num2(1, n + 1)
);
let end_num: DateTime<Local> = Local::now();
let time_num = end_num - start_num;
println!("{:?}", &time_num);
// // ibig-rs crate 大数计算
let start_ibig: DateTime<Local> = Local::now();
println!(
"{}! 阶乘，ibig crate 计算： {:#x}",
n,
factorial_ibig2(1, n + 1)
);
let end_ibig: DateTime<Local> = Local::now();
let time_ibig = end_ibig - start_ibig;
println!("{:?}", &time_ibig);
// ibig-rs 是否更快？
println!("ibig-rs 快了这么多：{:#?}", time_num - time_ibig);
}
我们同样以发布模式命令 cargo run --release 执行计算，返回结果大抵和第一种方式类同。
但是性能比较，有了变化。在 10000 以下时，ibig 同样是占优的。在 10000 这个阶乘层次，第 1、2 个 10 次都是 5:5，第 3 个 10 次 num 快了一次。100000 及以上，等待时间过长，笔者只跑了一次，测试结果不具实际意义。
所以，目前所使用的 crate num 暂时还是不考虑替换了。
ibig 官方的基准测试
最后，附上 ibig 官方的基准测试值：每个基准测试运行 5 次，每次重复计算至少 10 秒，结果使用中位数运行。
| Library | Version | Notes | e 100k | e 1m | e 10m | fib 1m | fib 10m | fib_hex 10m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| rug | 1.11.0 | Links to GMP | 0.016 | 0.296 | 4.520 | 0.015 | 0.336 | 0.060 |
| rust-gmp | 0.5.0 | Links to GMP | 0.017 | 0.304 | 4.585 | 0.017 | 0.336 | 0.060 |
| ibig | 0.2.1 | Pure Rust | 0.031 | 0.973 | 30.749 | 0.037 | 1.252 | 0.279 |
| ramp | 0.5.9 | Uses assembly (requires nightly) | 0.135 | 12.487 | 1233.225 | 0.355 | 34.847 | 0.386 |
| num-bigint | 0.4.0 | Pure Rust | 0.325 | 31.006 | 3098.511 | 1.161 | 115.234 | 0.401 |
正如前文笔者所述，代码的不同，平台的不同等，测试性能差别有可能也很大。所以这个基准测试结果，仅能参考。所谓实践出真知，还需要自己实际使用后，才晓得是否合适。
谢谢您的阅读。