C++ vs Java 速度（算术循环）

Question

以下小程序计算 1 到 10 亿的所有数字的总和，我们是用 C++ 和 Java 编写的，尽我所能。我的理解是 C++ 是“更快”的语言，但这段代码的 java 版本在 ~.5 秒内完成，而 C++ 则在 ~3 秒内完成。

C++（GCC 编译器）：

int main(){
    long long x = 0;
    for (long i=0;i<1000000001;i++){
    x=x+i;
    }
    cout << x << endl;
    return 0;
}

JAVA：

public class Main {
    public static void main(String[] args)  {
        long x=0;
        for (long i=0;i<1000000001;i++){
            x=x+i;
        }
        System.out.println(x);

    }

}

如何将 C++ 代码优化为与 JAVA 版本一样快？有可能吗？

Answer 1

这个问题很好地说明了不该做什么。整个循环相当于一次赋值，任何优化编译器都知道。因此，您正在测量启动程序并输出一行需要多长时间。

那么 Java 必须因任何您希望的因素而失败，因为运行 Java 代码包括启动 JVM，这非常慢。此外，它还包括优化编译。 javac 所做的只是从 Java 源代码编译为 Java 字节码，并没有尝试优化任何东西。所有优化都发生在运行时（字节码到机器码）。 ¹

因此我们可以得出结论，对于任何耗时不到几秒的任务，Java 都非常慢。如果您足够努力，您可以获得 20 或无穷大（除以零）的因子。

更重要的结论是它没有意义。如果您想要一个有意义的结果，请参阅How do I write a correct micro-benchmark in Java?。

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¹ 这适用于桌面 Java。在 Android 上，情况有所不同。

Answer 2

使用 -O 选项编译 C 代码。

没有 -O 生成的程序集包含大量内存访问（慢）：

main:
  push rbp
  mov rbp, rsp
  mov QWORD PTR [rbp-8], 0
  mov QWORD PTR [rbp-16], 0
.L3:
  cmp QWORD PTR [rbp-16], 1000000000
  jg .L2
  mov rax, QWORD PTR [rbp-16]
  add QWORD PTR [rbp-8], rax
  add QWORD PTR [rbp-16], 1
  jmp .L3
.L2:

使用 -O 生成的程序集仅使用寄存器：

main:
  mov eax, 1000000001
.L2:
  sub rax, 1
  jne .L2

查看 Godbolt 的 GCC 浏览器输出：https://godbolt.org/g/rx1Va4

EDIT：在优化模式下，编译器识别出输出是一个常量，这就是为什么没有添加指令的原因。请参阅 Nathan 的示例输出：https://godbolt.org/g/r1PxvL

Answer 3

如果您使用优化进行编译，那么 C++ 版本的速度会相当快。

Java：

javac Main.java

$ time java Main
500000000500000000

real    0m0.727s
user    0m0.724s
sys     0m0.004s

C++：

clang -O3 main.cpp -o cpp

$ time ./cpp 
500000000500000000

real    0m0.003s
user    0m0.000s
sys     0m0.000s

我的 Clang 版本：

$ clang --version
clang version 4.0.0-1ubuntu1 (tags/RELEASE_400/rc1)
Target: x86_64-pc-linux-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/bin

我的 Java 版本：

$ javac -version
javac 1.8.0_144

原因是优化是一个缓慢的过程；如果关闭优化，您将获得更快的编译时间。这对开发来说更好，所以这是 Clang 开发人员选择的默认值。 Java 可能更快，因为它在运行时进行了更多优化。 JVM 字节码与它编译的源代码并没有那不同！