Java和C++性能比较分析

1. 概述

编程语言根据其抽象级别进行分类。我们区分高级语言(Java，Python，JavaScript，C  ++，Go)，低级语言(汇编程序)，最后是机器代码。

每个高级语言代码(例如Java)都需要转换为机器本地代码才能执行。该翻译过程可以是编译或解释。但是，还有第三种选择。试图利用两种方法的组合。

2. 编译与解释

让我们开始研究编译和解释语言之间的一些差异。

2.1 编译语言

编译器将编译语言(C ++，Go)直接转换为机器码。

在执行之前，它们需要明确的构建步骤。这就是为什么每次更改代码时都需要重新编译程序。

编译语言往往比解释语言更快，更有效。但是，它们生成的机器码是特定于平台的。

2.2 解释语言

在解释语言(Python，JavaScript)中，没有构建步骤。相反，解释器在执行程序时对程序的源代码进行操作。

曾经认为解释语言比编译语言要慢得多。但是，随着即时编译(JIT)的发展，性能差距正在缩小。JIT编译器在程序运行时将代码从解释语言转换为机器码。

此外，我们可以在Windows，Linux或Mac等多个平台上执行解释后的语言代码。解释代码与特定类型的CPU体系结构没有关联。

3. Write Once Run Anywhere

Java和JVM在设计时考虑了可移植性。因此，当今大多数流行的平台都可以运行Java代码。

这听起来似乎暗示着Java是一种纯解释性语言。但是，在执行之前，需要将Java源代码编译为字节码。字节码是JVM固有的一种特殊机器语言。JVM在运行时解释并执行此代码。

它是JVM为支持Java的每个平台构建和定制的，并不是我们的程序或库。

JVM也具有JIT编译器。这意味着JVM在运行时优化我们的代码，以获得与编译语言相似的性能优势。

4. Java编译器

javac的命令行工具把Java源代码编译转换成Java类文件(xxx.class)与平台无关的字节码：

$ javac HelloWorld.java

源代码文件带有.java后缀，而包含字节码的类文件则带有.class后缀。

5. Java虚拟机

编译的类文件(字节码)，可以由JVM执行：

$ java HelloWorld Hello Java!

在运行时如何将字节码转换为机器本机代码。

5.1 架构概述

JVM由五部分组成：

• 类加载器

• JVM内存结构

• 执行引擎

• 本地方法接口

• 本地方法库

5.2 类加载器

JVM利用ClassLoader将已编译的类文件加载到JVM内存

除加载外，ClassLoader还执行链接和初始化。

• 验证字节码是否存在安全漏洞

• 为静态变量分配内存

• 用原始引用替换符号内存引用

• 将原始值分配给静态变量

• 执行所有静态代码块

5.3 执行引擎

执行引擎负责读取字节码，将其转换为机器本机代码并执行。

三个主要组件负责执行，包括解释器和编译器：

• 由于JVM与平台无关，因此它使用解释器执行字节码

• JIT编译器在重复的方法调用处，把字节码编译为本地代码以提高性能。

• 垃圾收集器收集并删除所有未引用的对象。

执行引擎利用本机方法接口(JNI)来调用本地库和应用程序。

5.4 即时编译器(JIT)

解释器的主要缺点是:每次调用方法时，都需要解释执行，这比编译的本机代码要慢。Java使用JIT编译器来克服此问题。

JIT编译器不能完全替代解释器。执行引擎仍在使用它。但是，JVM根据调用方法的频率使用JIT编译器。

JIT编译器将整个方法的字节码编译为机器本机代码，因此可以直接重用。与标准编译器一样，生成中间代码，进行优化，然后生成机器本机代码。

探查器是JIT编译器的特殊组件，负责查找热点。JVM根据运行时收集的性能分析信息来决定要编译的代码。

这样的效果是，经过几个执行周期，Java程序可以更快地执行其工作。JVM了解到热点后，便可以创建本机代码，从而使运行速度更快。

6. 性能比较

让我们看一下JIT编译如何提高Java的运行时性能。

6.1 斐波那契数列性能测试

我们将使用一种简单的递归方法来计算第n个斐波那契数：

private static int fibonacci(int index) {     if (index <= 1) {         return index;     }     return fibonacci(index-1) + fibonacci(index-2); }

为了衡量重复方法调用的性能收益，我们将运行Fibonacci方法100次：

for (int i = 0; i < 100; i++) {     long startTime = System.nanoTime();     int result = fibonacci(12);     long totalTime = System.nanoTime() - startTime;     System.out.println(totalTime); }

首先，我们将正常编译并执行Java代码：

$ java Fibonacci.java

然后，我们将在禁用JIT编译器的情况下执行相同的代码：

$ java -Djava.compiler=NONE Fibonacci.java

最后，我们将在C ++和JavaScript中实现并运行相同的算法进行比较。

6.2 性能测试结果

让我们看一下运行斐波那契数列测试后以纳秒为单位测量的平均性能：

• 使用JIT编译器的Java – 2726 ns –最快

• 没有JIT编译器的Java – 17965 ns –慢559%

• 没有O2优化的C ++ – 9435 ns –降低246%

• 具有O2优化的C ++ – 3639 ns –慢33%

• JavaScript – 22998 ns –慢743%

在此示例中，使用JIT编译器，Java的性能提高了500%以上。但是，JIT编译器确实需要运行一些才能运行。

有趣的是，即使在启用O2优化标志的情况下编译C ++，Java的性能也比C ++代码好33%。当仍在解释Java时，C  ++在前几次运行中的性能要好得多。

Java还胜过与Node一起运行的等效JavaScript代码，后者也使用JIT编译器。结果显示性能提高了700%以上。主要原因是Java的JIT编译器启动速度更快。