如何在Rust中高效生成指定比特长度的大随机数？

我尝试使用Rust的Rug库生成任意比特长度的随机数，编写了如下函数：

fn bit_str(bitlen: usize) -> String {
    let vs = vec!['0','1'];
    let mut nums = vec!['0'; bitlen];
    for i in 0..bitlen {
        nums[i] = *vs.choose(&mut rand::thread_rng()).unwrap();
    }
    return nums.into_iter().collect::<String>();
}
let bin = bit_str(1_000_000);
let mut random_number = Integer::new();
random_number.assign(Integer::parse_radix(bin,2).unwrap());

但该实现速度较慢，在我的环境中生成100个100万比特的随机数耗时30秒，请问有什么方法可以更快地生成这类随机数？

原代码的性能瓶颈在于逐个生成比特位并转换为字符串再解析，这两步存在大量不必要的开销。以下是两种高效的优化思路：

1. 直接用Rug内置的随机数生成方法 #

Rug的Integer类型自带random_bits方法，能直接生成指定比特长度的随机数，这是最直接高效的方式：

use rug::Integer;
use rand::thread_rng;

fn generate_random_int(bitlen: usize) -> Integer {
    let mut rng = thread_rng();
    Integer::random_bits(bitlen, &mut rng)
}

// 使用示例
let random_number = generate_random_int(1_000_000);

这个方法直接在底层生成二进制数据，跳过了字符串转换的所有开销，性能会有数量级的提升。

2. 批量生成字节再转换为Integer #

如果需要自定义随机源，可以先用rand批量生成字节数组，再直接转换为Rug的Integer，同时处理比特长度不是8倍数的情况：

use rug::Integer;
use rand::{thread_rng, Rng};

fn generate_random_int(bitlen: usize) -> Integer {
    let mut rng = thread_rng();
    // 计算需要的字节数，向上取整
    let byte_len = (bitlen + 7) / 8;
    let mut bytes = vec![0u8; byte_len];
    rng.fill(&mut bytes);
    
    // 若比特长度不是8的倍数，清除高位多余的比特
    if bitlen % 8 != 0 {
        let extra_bits = 8 - (bitlen % 8);
        bytes[0] &= !(0xFF << (8 - extra_bits));
    }
    
    Integer::from_digits(&bytes, rug::integer::Order::Msf)
}

// 使用示例
let random_number = generate_random_int(1_000_000);

这种方式通过批量生成字节减少随机数调用次数，直接从字节构造Integer，完全避免了字符串解析的开销。

效果说明 #

用以上两种方法生成100个100万比特的随机数，耗时会降到原代码的几百分之一，完全能满足性能需求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jihyun