Java比C++慢？看了測(cè)試結(jié)果，顛覆了我的認(rèn)知，不得不說JIT真的強(qiáng)
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「Java大廠面試官」，作者laker。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系Java大廠面試官公眾號(hào)。
每一個(gè)優(yōu)秀的人，都有一段沉默的時(shí)光。那一段時(shí)光是付出了努力，忍受了孤獨(dú)和寂寞，日后說起時(shí)，自己都被感動(dòng)的日子。
1. 概述
編程語(yǔ)言根據(jù)其抽象級(jí)別進(jìn)行分類。我們區(qū)分高級(jí)語(yǔ)言(Java，Python，JavaScript，C ++，Go)，低級(jí)語(yǔ)言(匯編程序)，最后是機(jī)器代碼。
每個(gè)高級(jí)語(yǔ)言代碼(例如Java)都需要轉(zhuǎn)換為機(jī)器本地代碼才能執(zhí)行。該翻譯過程可以是編譯或解釋。但是，還有第三種選擇。試圖利用兩種方法的組合。
2. 編譯與解釋
讓我們開始研究編譯和解釋語(yǔ)言之間的一些差異。
2.1 編譯語(yǔ)言
編譯器將編譯語(yǔ)言(C ++，Go)直接轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼。
在執(zhí)行之前，它們需要明確的構(gòu)建步驟。這就是為什么每次更改代碼時(shí)都需要重新編譯程序。
編譯語(yǔ)言往往比解釋語(yǔ)言更快，更有效。但是，它們生成的機(jī)器碼是特定于平臺(tái)的。
2.2 解釋語(yǔ)言
在解釋語(yǔ)言(Python，JavaScript)中，沒有構(gòu)建步驟。相反，解釋器在執(zhí)行程序時(shí)對(duì)程序的源代碼進(jìn)行操作。
曾經(jīng)認(rèn)為解釋語(yǔ)言比編譯語(yǔ)言要慢得多。但是，隨著即時(shí)編譯(JIT)的發(fā)展，性能差距正在縮小。JIT編譯器在程序運(yùn)行時(shí)將代碼從解釋語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼。
此外，我們可以在Windows，Linux或Mac等多個(gè)平臺(tái)上執(zhí)行解釋后的語(yǔ)言代碼。解釋代碼與特定類型的CPU體系結(jié)構(gòu)沒有關(guān)聯(lián)。
3. Write Once Run Anywhere
Java和JVM在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了可移植性。因此，當(dāng)今大多數(shù)流行的平臺(tái)都可以運(yùn)行Java代碼。
這聽起來(lái)似乎暗示著Java是一種純解釋性語(yǔ)言。但是，在執(zhí)行之前，需要將Java源代碼編譯為字節(jié)碼。字節(jié)碼是JVM固有的一種特殊機(jī)器語(yǔ)言。JVM在運(yùn)行時(shí)解釋并執(zhí)行此代碼。
它是JVM為支持Java的每個(gè)平臺(tái)構(gòu)建和定制的，并不是我們的程序或庫(kù)。
JVM也具有JIT編譯器。這意味著JVM在運(yùn)行時(shí)優(yōu)化我們的代碼，以獲得與編譯語(yǔ)言相似的性能優(yōu)勢(shì)。
4. Java編譯器
javac的命令行工具把Java源代碼編譯轉(zhuǎn)換成Java類文件(xxx.class)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的字節(jié)碼：
- $ javac HelloWorld.java
源代碼文件帶有.java后綴，而包含字節(jié)碼的類文件則帶有.class后綴。
5. Java虛擬機(jī)
編譯的類文件(字節(jié)碼)，可以由JVM執(zhí)行：
- $ java HelloWorld
- Hello Java!
在運(yùn)行時(shí)如何將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器本機(jī)代碼。
5.1 架構(gòu)概述
JVM由五部分組成：
- 類加載器
- JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)
- 執(zhí)行引擎
- 本地方法接口
- 本地方法庫(kù)
5.2 類加載器
JVM利用ClassLoader將已編譯的類文件加載到JVM內(nèi)存
除加載外，ClassLoader還執(zhí)行鏈接和初始化。
- 驗(yàn)證字節(jié)碼是否存在安全漏洞
- 為靜態(tài)變量分配內(nèi)存
- 用原始引用替換符號(hào)內(nèi)存引用
- 將原始值分配給靜態(tài)變量
- 執(zhí)行所有靜態(tài)代碼塊
5.3 執(zhí)行引擎
執(zhí)行引擎負(fù)責(zé)讀取字節(jié)碼，將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器本機(jī)代碼并執(zhí)行。
三個(gè)主要組件負(fù)責(zé)執(zhí)行，包括解釋器和編譯器：
- 由于JVM與平臺(tái)無(wú)關(guān)，因此它使用解釋器執(zhí)行字節(jié)碼
- JIT編譯器在重復(fù)的方法調(diào)用處，把字節(jié)碼編譯為本地代碼以提高性能。
- 垃圾收集器收集并刪除所有未引用的對(duì)象。
執(zhí)行引擎利用本機(jī)方法接口(JNI)來(lái)調(diào)用本地庫(kù)和應(yīng)用程序。
5.4 即時(shí)編譯器(JIT)
解釋器的主要缺點(diǎn)是:每次調(diào)用方法時(shí)，都需要解釋執(zhí)行，這比編譯的本機(jī)代碼要慢。Java使用JIT編譯器來(lái)克服此問題。
JIT編譯器不能完全替代解釋器。執(zhí)行引擎仍在使用它。但是，JVM根據(jù)調(diào)用方法的頻率使用JIT編譯器。
JIT編譯器將整個(gè)方法的字節(jié)碼編譯為機(jī)器本機(jī)代碼，因此可以直接重用。與標(biāo)準(zhǔn)編譯器一樣，生成中間代碼，進(jìn)行優(yōu)化，然后生成機(jī)器本機(jī)代碼。
探查器是JIT編譯器的特殊組件，負(fù)責(zé)查找熱點(diǎn)。JVM根據(jù)運(yùn)行時(shí)收集的性能分析信息來(lái)決定要編譯的代碼。
這樣的效果是，經(jīng)過幾個(gè)執(zhí)行周期，Java程序可以更快地執(zhí)行其工作。JVM了解到熱點(diǎn)后，便可以創(chuàng)建本機(jī)代碼，從而使運(yùn)行速度更快。
6. 性能比較
讓我們看一下JIT編譯如何提高Java的運(yùn)行時(shí)性能。
6.1 斐波那契數(shù)列性能測(cè)試
我們將使用一種簡(jiǎn)單的遞歸方法來(lái)計(jì)算第n個(gè)斐波那契數(shù)：
- private static int fibonacci(int index) {
- if (index <= 1) {
- return index;
- }
- return fibonacci(index-1) + fibonacci(index-2);
- }
為了衡量重復(fù)方法調(diào)用的性能收益，我們將運(yùn)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，我們將正常編譯并執(zhí)行Java代碼：
- $ java Fibonacci.java
然后，我們將在禁用JIT編譯器的情況下執(zhí)行相同的代碼：
- $ java -Djava.compiler=NONE Fibonacci.java
最后，我們將在C ++和JavaScript中實(shí)現(xiàn)并運(yùn)行相同的算法進(jìn)行比較。
6.2 性能測(cè)試結(jié)果
讓我們看一下運(yùn)行斐波那契數(shù)列測(cè)試后以納秒為單位測(cè)量的平均性能：
- 使用JIT編譯器的Java – 2726 ns –最快
- 沒有JIT編譯器的Java – 17965 ns –慢559%
- 沒有O2優(yōu)化的C ++ – 9435 ns –降低246%
- 具有O2優(yōu)化的C ++ – 3639 ns –慢33%
- JavaScript – 22998 ns –慢743%
在此示例中，使用JIT編譯器，Java的性能提高了500%以上。但是，JIT編譯器確實(shí)需要運(yùn)行一些才能運(yùn)行。
有趣的是，即使在啟用O2優(yōu)化標(biāo)志的情況下編譯C ++，Java的性能也比C ++代碼好33%。當(dāng)仍在解釋Java時(shí)，C ++在前幾次運(yùn)行中的性能要好得多。
Java還勝過與Node一起運(yùn)行的等效JavaScript代碼，后者也使用JIT編譯器。結(jié)果顯示性能提高了700%以上。主要原因是Java的JIT編譯器啟動(dòng)速度更快。
7. 思考
從技術(shù)上講，可以將任何靜態(tài)編程語(yǔ)言代碼直接編譯為機(jī)器代碼。也可以逐步解釋任何編程代碼。
與許多其他現(xiàn)代編程語(yǔ)言類似，Java使用編譯器和解釋器的組合。目標(biāo)是利用兩全其美，實(shí)現(xiàn)高性能和平臺(tái)無(wú)關(guān)的執(zhí)行。
在本文中，我們重點(diǎn)介紹了HotSpot中的工作方式。HotSpot是Oracle默認(rèn)的開源JVM實(shí)現(xiàn)。Graal VM也基于HotSpot，因此適用相同的原理。
如今，最流行的JVM實(shí)現(xiàn)使用解釋器和JIT編譯器的組合。但是，其中一些也可能使用其他方式。
8. 結(jié)論
Java使用了兩種方法的組合。
我們用Java編寫的源代碼在構(gòu)建過程中首先被編譯為字節(jié)碼。然后，JVM解釋生成的字節(jié)碼以供執(zhí)行。但是，JVM還在運(yùn)行時(shí)使用JIT編譯器來(lái)提高性能。
翻譯于：
https://www.baeldung.com/java-compiled-interpreted
