diff --git a/common/sampling.cpp b/common/sampling.cpp
index c69d525b5b358..148af567ec477 100644
--- a/common/sampling.cpp
+++ b/common/sampling.cpp
@@ -126,7 +126,7 @@ struct common_sampler {
             cur[token_id] = llama_token_data{token_id, logits[token_id], 0.0f};
         }
 
-        cur_p = { cur.data(), cur.size(), -1, false };
+        cur_p = { cur.data(), cur.size(), false, -1, false };
     }
 };
 
@@ -360,7 +360,7 @@ llama_token common_sampler_sample(struct common_sampler * gsmpl, struct llama_co
     // check if it the sampled token fits the grammar
     {
         llama_token_data       single_token_data       = { id, 1.0f, 0.0f };
-        llama_token_data_array single_token_data_array = { &single_token_data, 1, -1, false };
+        llama_token_data_array single_token_data_array = { &single_token_data, 1, false, -1, false };
 
         llama_sampler_apply(grmr, &single_token_data_array);
 
diff --git a/examples/diffusion/diffusion-cli.cpp b/examples/diffusion/diffusion-cli.cpp
index 273942a165ed0..3ed79df95e6fd 100644
--- a/examples/diffusion/diffusion-cli.cpp
+++ b/examples/diffusion/diffusion-cli.cpp
@@ -404,6 +404,7 @@ static void diffusion_generate(llama_context *          ctx,
                         llama_token_data_array cur_p = {
                             candidates.data(),
                             (size_t) n_vocab,
+                            false, // normalized
                             -1,
                             false,
                         };
@@ -429,6 +430,7 @@ static void diffusion_generate(llama_context *          ctx,
                     llama_token_data_array cur_p = {
                         candidates.data(),
                         candidates.size(),
+                        false, // normalized
                         -1,
                         false,
                     };
@@ -472,6 +474,7 @@ static void diffusion_generate(llama_context *          ctx,
                         llama_token_data_array conf_array = {
                             conf_candidates.data(),
                             conf_candidates.size(),
+                            false,
                             -1,
                             false,
                         };
diff --git a/examples/speculative/speculative.cpp b/examples/speculative/speculative.cpp
index 5f5ac5eb64d38..75337968e2c9b 100644
--- a/examples/speculative/speculative.cpp
+++ b/examples/speculative/speculative.cpp
@@ -269,7 +269,7 @@ int main(int argc, char ** argv) {
 
                         LOG_DBG("verifying sequence #%d at pos #%d from %d active sequence(s)\n", s, i_dft, (int) active_seqs.size());
                         float r = u_dist(rng);
-                        llama_token_data_array dist_dft = { drafts[s].dists[i_dft].data() , drafts[s].dists[i_dft].size(), LLAMA_TOKEN_NULL, true };
+                        llama_token_data_array dist_dft = { drafts[s].dists[i_dft].data() , drafts[s].dists[i_dft].size(), false, LLAMA_TOKEN_NULL, true };
 
                         //GGML_ASSERT(dist_tgt.size <= dist_dft.size);
 
diff --git a/include/llama.h b/include/llama.h
index a0a660bff88da..55c9fbc2d928b 100644
--- a/include/llama.h
+++ b/include/llama.h
@@ -205,6 +205,7 @@ extern "C" {
         // NOTE: this pointer can be modified by the samplers
         llama_token_data * data;
         size_t size;
+        bool normalized;  // true if the probabilities (llama_token_data.p) have been computed
         int64_t selected; // this is the index in the data array (i.e. not the token id)
         bool sorted;      // note: do not assume the data is sorted - always check this flag
     } llama_token_data_array;
diff --git a/src/llama-grammar.cpp b/src/llama-grammar.cpp
index bed706bb248d1..f11a22c15f857 100644
--- a/src/llama-grammar.cpp
+++ b/src/llama-grammar.cpp
@@ -1156,6 +1156,7 @@ void llama_grammar_apply_impl(const struct llama_grammar & grammar, llama_token_
     for (const auto & reject : rejects) {
         cur_p->data[reject.index].logit = -INFINITY;
     }
+    cur_p->normalized = false;
 }
 
 void llama_grammar_accept_impl(struct llama_grammar & grammar, llama_token token) {
diff --git a/src/llama-sampling.cpp b/src/llama-sampling.cpp
index 2186f827bf543..93b52a7b83b58 100644
--- a/src/llama-sampling.cpp
+++ b/src/llama-sampling.cpp
@@ -260,6 +260,7 @@ static void llama_log_softmax(float * array, size_t size) {
 */
 
 static void llama_sampler_temp_impl(llama_token_data_array * cur_p, float temp) {
+    cur_p->normalized = false;
     if (temp <= 0.0f) {
         // find the token with the highest logit and set the rest to -inf
         size_t max_i = 0;
@@ -309,6 +310,7 @@ static void llama_sampler_softmax_impl(llama_token_data_array * cur_p, bool do_s
     for (size_t i = 0; i < cur_p->size; ++i) {
         cur_p->data[i].p /= cum_sum;
     }
+    cur_p->normalized = true;
 }
 
 static void llama_sampler_top_k_impl(llama_token_data_array * cur_p, int32_t k) {
@@ -328,6 +330,7 @@ static void llama_sampler_top_k_impl(llama_token_data_array * cur_p, int32_t k)
     }
 
     cur_p->size = k;
+    cur_p->normalized = false;
 }
 
 static uint32_t get_rng_seed(uint32_t seed) {
@@ -422,6 +425,7 @@ llama_token llama_sampler_sample(struct llama_sampler * smpl, struct llama_conte
     llama_token_data_array cur_p = {
         /* .data       = */ cur.data(),
         /* .size       = */ cur.size(),
+        /* .normalized = */ false,
         /* .selected   = */ -1,
         /* .sorted     = */ false,
     };
@@ -614,6 +618,23 @@ static void llama_sampler_dist_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_da
 
     if (cur_p->size == 1) {
         cur_p->data[0].p = 1.0f;
+        cur_p->normalized = true;
+        return;
+    }
+
+    if (cur_p->normalized) {
+        std::uniform_real_distribution<double> dist(0.0f, 1.0f);
+        const double rnd = dist(ctx->rng);
+        double sum_run = 0.0f;
+
+        for (size_t i = 0; i < cur_p->size; ++i) {
+            sum_run += cur_p->data[i].p;
+            if (sum_run >= rnd) {
+                cur_p->selected = i;
+                return;
+            }
+        }
+        cur_p->selected = cur_p->size - 1;
         return;
     }
 
@@ -663,6 +684,7 @@ static void llama_sampler_dist_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_da
     if (!found) {
         cur_p->selected = cur_p->size - 1;
     }
+    cur_p->normalized = true;
 #else
     // for clarity, this is the same as above but does one pass for normalization and one extra pass for sampling
     for (size_t i = 0; i < cur_p->size; ++i) {
@@ -670,6 +692,7 @@ static void llama_sampler_dist_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_da
     }
 
     cur_p->selected = llama_sample_dist(cur_p, ctx->rng);
+    cur_p->normalized = true;
 #endif
 }
 
@@ -780,7 +803,9 @@ static void llama_sampler_top_p_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_d
         return;
     }
 
-    llama_sampler_softmax_impl(cur_p, false);
+    if (!cur_p->normalized) {
+        llama_sampler_softmax_impl(cur_p, false);
+    }
 
     size_t k = cur_p->size;
     auto * pdata = cur_p->data;
@@ -826,6 +851,7 @@ static void llama_sampler_top_p_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_d
     }
 
     cur_p->size = last_idx;
+    cur_p->normalized = false;
 }
 
 static struct llama_sampler * llama_sampler_top_p_clone(const struct llama_sampler * smpl) {
@@ -897,6 +923,7 @@ static void llama_sampler_min_p_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_d
         if (!filtered_tokens.empty() && filtered_tokens.size() >= ctx->min_keep) {
             std::copy(filtered_tokens.begin(), filtered_tokens.end(), cur_p->data);
             cur_p->size = filtered_tokens.size();
+            cur_p->normalized = false;
             min_p_applied = true;
         }
     }
@@ -919,6 +946,7 @@ static void llama_sampler_min_p_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_d
 
         // Resize the output vector to keep only the matching tokens
         cur_p->size = i;
+        cur_p->normalized = false;
     }
 }
 
@@ -971,7 +999,9 @@ static void llama_sampler_typical_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token
     }
 
     // Compute the softmax of logits and calculate entropy
-    llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    if (!cur_p->normalized) {
+        llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    }
 
     float entropy = 0.0f;
     for (size_t i = 0; i < cur_p->size; ++i) {
@@ -1019,6 +1049,7 @@ static void llama_sampler_typical_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token
     std::copy(cur_p_new.begin(), cur_p_new.end(), cur_p->data);
     cur_p->size = cur_p_new.size();
     cur_p->sorted = false;
+    cur_p->normalized = false;
 }
 
 static struct llama_sampler * llama_sampler_typical_clone(const struct llama_sampler * smpl) {
@@ -1120,7 +1151,9 @@ static void llama_sampler_temp_ext_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_toke
         // Calculate maximum possible entropy
         float max_entropy = -logf(1.0f / cur_p->size);
 
-        llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+        if (!cur_p->normalized) {
+            llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+        }
 
         // Calculate entropy of the softmax probabilities
         float entropy = 0.0f;
@@ -1162,6 +1195,7 @@ static void llama_sampler_temp_ext_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_toke
         for (size_t i = 0; i < cur_p->size; ++i) {
             cur_p->data[i].p /= cum_sum_double; // Re-normalize the probabilities
         }
+        cur_p->normalized = true;
 
     #ifdef DEBUG
         // Print the updated top 25 probabilities after temperature scaling
@@ -1236,7 +1270,9 @@ static void llama_sample_xtc_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_data
         return;
     }
 
-    llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    if (!cur_p->normalized) {
+        llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    }
 
     int pos_last = 0;
 
@@ -1251,6 +1287,7 @@ static void llama_sample_xtc_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_data
     if (cur_p->size - pos_last >= ctx->min_keep && pos_last > 0) {
         cur_p->data += pos_last;
         cur_p->size -= pos_last;
+        cur_p->normalized = false;
     }
 }
 
@@ -1327,7 +1364,9 @@ static const char * llama_sampler_mirostat_name(const struct llama_sampler * /*s
 static void llama_sampler_mirostat_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_data_array * cur_p) {
     auto * ctx = (llama_sampler_mirostat *) smpl->ctx;
 
-    llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    if (!cur_p->normalized) {
+        llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    }
 
     // Estimate s_hat using the most probable m tokens
     float s_hat = 0.0;
@@ -1433,7 +1472,9 @@ static const char * llama_sampler_mirostat_v2_name(const struct llama_sampler *
 static void llama_sampler_mirostat_v2_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_data_array * cur_p) {
     auto * ctx = (llama_sampler_mirostat_v2 *) smpl->ctx;
 
-    llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    if (!cur_p->normalized) {
+        llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    }
 
     // Truncate the words with surprise values greater than mu
     cur_p->size = std::distance(cur_p->data, std::find_if(cur_p->data, cur_p->data + cur_p->size, [&](const llama_token_data & candidate) {
@@ -1775,6 +1816,7 @@ static void llama_sampler_penalties_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_tok
     }
 
     cur_p->sorted = false;
+    cur_p->normalized = false;
 }
 
 static void llama_sampler_penalties_reset(struct llama_sampler * smpl) {
@@ -2193,6 +2235,7 @@ static void llama_sampler_dry_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_dat
     }
 
     cur_p->sorted = false;
+    cur_p->normalized = false;
 }
 
 static void llama_sampler_dry_reset(struct llama_sampler * smpl) {
@@ -2344,6 +2387,7 @@ static void llama_sampler_logit_bias_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_to
     }
 
     if (ctx->to_search.empty()) {
+        cur_p->normalized = false;
         return;
     }
 
@@ -2356,6 +2400,7 @@ static void llama_sampler_logit_bias_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_to
             }
         }
     }
+    cur_p->normalized = false;
 }
 
 static struct llama_sampler * llama_sampler_logit_bias_clone(const struct llama_sampler * smpl) {
@@ -2408,7 +2453,9 @@ static const char * llama_sampler_infill_name(const struct llama_sampler * /*smp
 static void llama_sampler_infill_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_data_array * cur_p) {
     auto * ctx = (llama_sampler_infill *) smpl->ctx;
 
-    llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    if (!cur_p->normalized) {
+        llama_sampler_softmax_impl(cur_p, true);
+    }
 
 #if defined(GGML_DEBUG_SAMPLER_INFILL)
 #define LOG_DBG_CUR LLAMA_LOG_DEBUG
@@ -2457,6 +2504,7 @@ static void llama_sampler_infill_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_
         for (size_t i = 0; i < cur_p->size; ++i) {
             cur_p->data[i].p /= p_sum;
         }
+        cur_p->normalized = true;
 
         return;
     }
@@ -2542,6 +2590,7 @@ static void llama_sampler_infill_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_
         cur_p->size = 1;
         cur_p->data[0].id = ctx->vocab->token_eot();
         cur_p->data[0].logit = 1.0f;
+        cur_p->normalized = true;
 
         return;
     }
@@ -2579,6 +2628,7 @@ static void llama_sampler_infill_apply(struct llama_sampler * smpl, llama_token_
 
         LOG_DBG_CUR("%s: cur_p[%3zu] = { id: %6d, p: %.6f, logit: %6.3f }\n", __func__, i, cur_p->data[i].id, cur_p->data[i].p, cur_p->data[i].logit);
     }
+    cur_p->normalized = true;
 
 #undef LOG_DBG_CUR
 }
diff --git a/tests/test-grammar-llguidance.cpp b/tests/test-grammar-llguidance.cpp
index 566b039a07038..f368810f7af01 100644
--- a/tests/test-grammar-llguidance.cpp
+++ b/tests/test-grammar-llguidance.cpp
@@ -21,7 +21,7 @@ static bool match_string(const std::string & input, llama_sampler * grammar) {
     for (llama_token token_id = 0; token_id < (llama_token) n_vocab; token_id++) {
         cur.emplace_back(llama_token_data{ token_id, 0.0f, 0.0f });
     }
-    auto tok_arr = llama_token_data_array{ cur.data(), cur.size(), -1, false };
+    auto tok_arr = llama_token_data_array{ cur.data(), cur.size(), false, -1, false };
 
     for (const auto token : tokens) {
         for (llama_token token_id = 0; token_id < (llama_token) n_vocab; token_id++) {
@@ -1096,6 +1096,7 @@ static void one_hot(llama_token_data_array & tok_arr, llama_token selected) {
     }
 
     tok_arr.data[selected].logit = 100.0f;
+    tok_arr.normalized = false;
 }
 
 static void test_sampler_chain(void) {
@@ -1119,7 +1120,7 @@ start: /[A-Z ]*/)";
     for (llama_token token_id = 0; token_id < (llama_token) n_vocab; token_id++) {
         cur.emplace_back(llama_token_data{ token_id, 0.0f, 0.0f });
     }
-    auto tok_arr = llama_token_data_array{ cur.data(), cur.size(), -1, false };
+    auto tok_arr = llama_token_data_array{ cur.data(), cur.size(), false, -1, false };
 
     for (const auto token : tokens) {
         one_hot(tok_arr, token);
diff --git a/tests/test-sampling.cpp b/tests/test-sampling.cpp
index 7cd96c5cd351c..44a8cd56421fc 100644
--- a/tests/test-sampling.cpp
+++ b/tests/test-sampling.cpp
@@ -28,7 +28,7 @@ struct sampler_tester {
             cur.emplace_back(llama_token_data{token_id, logit, 0.0f});
         }
 
-        cur_p = llama_token_data_array { cur.data(), cur.size(), -1, false };
+        cur_p = llama_token_data_array { cur.data(), cur.size(), false, -1, false };
     }
 
     sampler_tester(const std::vector<float> & probs, const std::vector<float> & probs_expected) : probs_expected(probs_expected) {
@@ -38,7 +38,7 @@ struct sampler_tester {
             cur.emplace_back(llama_token_data{token_id, logit, probs[token_id]});
         }
 
-        cur_p = llama_token_data_array { cur.data(), cur.size(), -1, false };
+        cur_p = llama_token_data_array { cur.data(), cur.size(), false, -1, false };
     }
 
     void apply(llama_sampler * sampler) {
@@ -270,13 +270,13 @@ static void test_sampler_queue(const size_t n_vocab, const std::string & sampler
 static void bench(llama_sampler * cnstr, const char * cnstr_name, const std::vector<llama_token_data> & data, int n_iter) {
     std::vector<llama_token_data> cur(data.size());
     std::copy(data.begin(), data.end(), cur.begin());
-    llama_token_data_array cur_p = { cur.data(), cur.size(), -1, false };
+    llama_token_data_array cur_p = { cur.data(), cur.size(), false, -1, false };
     llama_sampler_apply(cnstr, &cur_p);
     llama_sampler_reset(cnstr);
     const int64_t t_start = ggml_time_us();
     for (int i = 0; i < n_iter; i++) {
         std::copy(data.begin(), data.end(), cur.begin());
-        llama_token_data_array cur_p = { cur.data(), cur.size(), -1, false };
+        llama_token_data_array cur_p = { cur.data(), cur.size(), false, -1, false };
         llama_sampler_apply(cnstr, &cur_p);
         llama_sampler_reset(cnstr);
     }