为什么在 Python 中运行具有 100 亿次迭代的大型 for 循环比在 C 中运行的时间要长得多？

Question

我目前正在比较 Python3 和 C 中的两个循环计算。对于 Python，我有：

# Python3
t1 = time.process_time()
a = 100234555
b = 22333335
c = 341500
for i in range(1, 10000000001):
    a = a - (b % 2)
    b = b - (c % 2)
print("Sum is", a+b)
t2 = time.process_time()
print(t2-t1, "Seconds")

然后在 C 中，我做同样的事情：

#include <stdio.h>

int main() {
   long long a = 100234555;
   long long b = 22333335;  
   long long c = 341500;
   for(long long i = 1; i <= 10000000000; i++){
        a = a - (b % 2);
        b = b - (c % 2);
   }
   printf("Sum is %lld\n", a+b);
   return 0;
}

我对 Python 和 C 中的代码都进行了计时。Python 的计时大约是 3500 秒，而 C 中的计时（包括编译和执行）只需要大约 0.3 秒。

我想知道时间上怎么会有这么大的差异。执行是在具有 100 GB 内存和足够处理能力的服务器上完成的。

Answer 1

正如 dmuir 所注意到的，如果编译器正确地传播了一些常量，则可以大大简化代码。例如：clang -O1 将 C 代码编译成这样（参见 https://gcc.godbolt.org/z/1ZH8Rm ）：

main:                                   # @main
        push    rax
        movabs  rsi, -9877432110
        mov     edi, offset .L.str
        xor     eax, eax
        call    printf
        xor     eax, eax
        pop     rcx
        ret
.L.str:
        .asciz  "Sum is %lld\n"

gcc -O1 产生基本相似的代码。

由于这归结为对printf 的一次调用，因此解释似乎是：

• Python 编译器在优化此代码方面不如 C 编译器聪明。
• 您的 C 编译器需要很长时间才能编译这 12 行代码。考虑到您的硬件设置，3 秒太长了！在我的小笔记本电脑上编译和运行所有优化的代码只需要 0.15 秒。你是用 C++ 编译的吗？

在禁用优化的情况下测试 C 版本 (-O0) 会产生以下输出：

$ time (clang -O0 -o loop10g loop10g.c && ./loop10g)
Sum is -9877432110

real    4m15.352s
user    3m47.232s
sys     0m3.252s

使用未优化的 C 仍然比 Python 快得多：255 秒 vs：>3500

Python 代码使用字节码和具有动态类型值的堆栈进行解释：10 到 20 倍是典型的减速。此外，对于较大的值，整数运算会自动切换到 bignum 模式，这可能是这里的情况，尽管惩罚应该更高。

Answer 2

这部分是由于Python字节码是由程序而不是CPU直接执行的，但大部分开销是由于对象模型的整数不变性引起的内存分配和释放造成的，而不是解释性。

实际情况是，您的 C 代码可以更改数字的值，但在 Python 中，数字是不可变的，这意味着它们不会改变。这意味着当你进行求和时，Python 必须为每个新值创建一个新的int 对象，然后在它们不再使用后销毁旧的ints。这比仅仅修改单个内存值要慢得多。

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还有一种可能是你的 C 编译器很聪明，并且通过一系列优化它可以完全删除你的 for 循环，结果将是相同的——就像循环实际运行一样。如果在您的示例中是这种情况，我希望代码运行得更快，但它可以这样做。

Python 没有这样的智能编译器。它不能做那么伟大和聪明的事情；它只是不是为了优化代码而设计的，因为在动态类型语言中很难可靠地做到这一点（尽管 Python 是强类型的事实确实使它成为可能。

Answer 3

答案很简单。 Python 是解释型语言。所有指令都由解释器（执行脚本的特殊程序）执行。它比编译成本机机器码的 C 代码慢得多。