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我最近看到了多个关于 Java（和基于 JVM 的语言，如 Scala）如何在性能上与 C/C++ 代码相媲美的说法。

例如，来自ScalaLab 项目的描述：

基于 Scala 的脚本编写速度，接近原生和优化的 Java 代码的速度，因此接近甚至优于基于 C/C++ 的科学代码！

有人可以指出这些 JVM 优化是什么的摘要吗？是否有任何真正的基准支持这种说法或提供一些现实世界的比较？

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表演技巧

首先，这取决于您所谈论的 JVM，因为有多个 - 但我假设您的意思是 Oracle HotSpot（无论如何，其他顶级 JVM 将使用类似的技术）。

对于那个 JVM， HotSpot 内部 wiki 中的这个列表提供了一个很好的开始（子页面详细介绍了一些更有趣的技术）。如果您只是在寻找技巧的洗衣清单，那么 wiki也有，尽管要理解它们，您可能必须在谷歌上搜索各个术语。

并非所有这些都是最近实现的，但一些大的已经实现（范围检查省略、转义分析、超词优化）——至少对于“最近”的松散定义。

接下来，让我们看一下 C/C++ 与 Java 的相对性能图，以及为什么上述技术有助于缩小差距，或者在某些情况下实际上使 Java 和固有的优势优于原生编译语言。

Java 与 C/C++

在高层次上，优化是您在任何像 C 和 C++ 等本地语言的体面编译器中看到的东西的混合，以及减少 Java/JVM 特定功能和安全检查的影响所需的东西，例如作为：

  • 逃逸分析，可以（在某种程度上）减轻对象的无堆栈分配
  • 内联缓存和类层次结构分析，可缓解“每个功能都是虚拟的”
  • 范围检查消除，这减轻了“每个数组访问都经过范围检查”

许多这些 JVM 特定* 优化仅有助于使 JVM 与本机语言相提并论，因为它们正在解决本机语言不必处理的障碍。然而，一些优化是静态编译语言无法管理的（或者在某些情况下只能通过配置文件引导的优化来管理，这种情况很少见，而且无论如何都必须是一刀切的）：

  • 仅动态内联最热门的代码
  • 基于实际分支/开关频率的代码生成
  • 动态生成 CPU/指令集感知代码（甚至在代码编译后发布的 CPU 功能！）1
  • 删除从未执行的代码
  • 注入与应用程序代码交错的预取指令
  • 安全指向支持的整个技术系列

共识似乎是，Java 生成的代码通常在速度上与中等优化级别的优秀 C++ 编译器相似，例如 gcc -O2，尽管很大程度上取决于确切的基准。像 HotSpot 这样的现代 JVM 往往在低级数组遍历和数学方面表现出色（只要竞争的编译器没有向量化 - 这很难被击败），或者在竞争代码执行相似数量分配时具有大量对象分配的场景中（JVM 对象分配 + GC 通常比 malloc 快），但是当典型的 Java 应用程序的内存损失是一个因素时，堆栈分配被大量使用，或者向量化编译器或内在函数向本机代码倾斜时，就会下降。

如果您搜索 Java 与 C 的性能，您会发现很多人都解决了这个问题，他们的严谨程度各不相同。这是我偶然发现的第一个，它似乎显示了 gcc 和 HotSpot 之间的粗略联系（即使在这种情况下为 -O3 ）。如果您想了解单个基准如何在每种语言中经历多次迭代、相互跨越，这篇文章和相关讨论可能是一个更好的开始 - 并展示了双方优化的一些限制。

*并不是真正的 JVM 特定的——大多数也适用于其他安全或托管语言，如 CLR

1随着新指令集（尤其是 SIMD 指令，但还有其他指令）以某种频率发布，这种特殊的优化变得越来越重要。自动向量化可以大大加快一些代码的速度，虽然 Java 在这方面的速度已经很慢，但它们至少在赶上一点。

于 2013-04-22T03:40:32.980 回答
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当然，实际性能取决于基准，并因应用程序而异。但是很容易看出 JIT VM 是如何与静态编译的代码一样快的，至少在理论上是这样。

JIT 代码的主要优势在于它可以基于仅在运行时才知道的信息进行优化。在 C 中，当您链接到 DLL 时，您必须每次都调用该函数。在动态语言中，即使是在运行时加载的函数，也可以内联函数，这要归功于即时编译。

另一个例子是基于运行时值进行优化。在 C/C++ 中，您使用预处理器宏来禁用断言，如果您想更改此选项，则必须重新编译。在 Java 中，断言是通过设置一个私有布尔字段然后在代码中放置一个 if 分支来处理的。但是由于 VM 可以根据标志的值编译包含或不包含断言代码的代码版本，因此对性能的影响很小或没有。

另一个主要的 VM 创新是多态内联。Idomatic Java 非常关注像 getter 和 setter 这样的小型包装方法。为了获得良好的性能，内联它们显然是必要的。VM 不仅可以在实际仅调用一种类型的常见情况下内联多态函数，还可以内联调用多种不同类型的代码，方法是在适当的代码中包含内联缓存。如果代码开始在许多不同的类型上运行，VM 可以检测到这一点并回退到较慢的虚拟调度。

静态编译器当然不能做这一切。强大的静态分析只能让您走这么远。这也不仅限于 Java，尽管它是最明显的例子。用于 Javascript 的 Google 的 V8 vm 也非常快。Pypy 旨在为 Python 和 Rubinius 为 Ruby 做同样的事情，但它们并不完全在那里（当你有一个大公司支持你时，它会有所帮助）。

于 2013-04-22T03:38:07.803 回答
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我要补充一点，热点、jrockit 和 IBM 的 JVM 都在 GC 中执行堆压缩。由于这个原因，我最近将一些繁重的数学代码移植到了 Scala。如果您打算运行任何大型应用程序，我强烈推荐 Java。在部署到服务器或向上扩展时，您可能会后悔使用 CLR，尤其是在内存密集型的情况下。

此外，对于本机代码，JVM 配置选项也非常出色。

于 2013-05-09T07:54:42.793 回答