为什么这个 Java 代码比相同的 C# 代码快 6 倍

本文关键字：代码 Java 为什么 | 更新日期: 2023-09-27 17:56:04

我对欧拉项目问题 5 有几种不同的解决方案，但在这个特定的实现中，两种语言/平台之间的执行时间差异引起了我的兴趣。我没有对编译器标志进行任何优化，只是简单的javac（通过命令行）和csc（通过Visual Studio）。

这是Java代码。它在 55 毫秒内完成。

public class Problem005b
{
    public static void main(String[] args)
    {
        long begin = System.currentTimeMillis();
        int i = 20;
        while (true)
        {
            if (
                    (i % 19 == 0) &&
                    (i % 18 == 0) &&
                    (i % 17 == 0) &&
                    (i % 16 == 0) &&
                    (i % 15 == 0) &&
                    (i % 14 == 0) &&
                    (i % 13 == 0) &&
                    (i % 12 == 0) &&
                    (i % 11 == 0)
                )
            {
                break;
            }
            i += 20;
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(i);
        System.out.println(end-begin + "ms");
    }   
}

下面是相同的 C# 代码。它在320ms内完成

using System;
namespace ProjectEuler05
{
    class Problem005
    {
        static void Main(String[] args)
        {
            DateTime begin = DateTime.Now;
            int i = 20;
            while (true)
            {
                if (
                        (i % 19 == 0) &&
                        (i % 18 == 0) &&
                        (i % 17 == 0) &&
                        (i % 16 == 0) &&
                        (i % 15 == 0) &&
                        (i % 14 == 0) &&
                        (i % 13 == 0) &&
                        (i % 12 == 0) &&
                        (i % 11 == 0)
                    )
                    {
                        break;
                    }
                i += 20;
            }
            DateTime end = DateTime.Now;
            TimeSpan elapsed = end - begin;
            Console.WriteLine(i);
            Console.WriteLine(elapsed.TotalMilliseconds + "ms");
        }
    }
}

为什么这个 Java 代码比相同的 C# 代码快 6 倍

  1. 若要对代码执行进行计时，应使用 StopWatch 类。
  2. 此外，您必须考虑 JIT、运行时等，因此让测试运行足够的次数（如 10,000、100,000 次）并获得某种平均值。重要的是多次运行代码，而不是程序。因此，编写一个方法，并在main方法中循环以获取测量值。
  3. 从程序集中删除所有调试内容，并让代码在发布版本中独立运行

有一些可能的优化。 也许Java JIT正在执行它们，而CLR没有。

优化#1： 

(x % a == 0) && (x % b == 0) && ... && (x % z == 0)

相当于

(x % lcm(a, b, ... z) == 0)

因此，在您的示例中，比较链可以替换为

if (i % 232792560 == 0) break;

（当然，如果您已经计算了LCM，那么首先运行该程序就没有意义了！

优化#2：

这也是等效的：

if (i % (14549535 * 16)) == 0 break;

或

if ((i % 16 == 0) && (i % 14549535 == 0)) break;

第一个除法可以用掩码代替并与零进行比较：

if (((i & 15) == 0) && (i % 14549535 == 0)) break;

第二除法可以用乘以模逆代替：

final long LCM = 14549535;
final long INV_LCM = 8384559098224769503L; // == 14549535**-1 mod 2**64
final long MAX_QUOTIENT = Long.MAX_VALUE / LCM;
// ...
if (((i & 15) == 0) &&
    (0 <= (i>>4) * INV_LCM) &&
    ((i>>4) * INV_LCM < MAX_QUOTIENT)) {
    break;
}

JIT 不太可能使用它，但它并不像您想象的那么牵强 - 一些 C 编译器以这种方式实现指针减法。

让这两者更加接近的关键是要保证比较的公平性。

首先，确保与运行调试版本相关的成本，像您一样加载 pdb 符号。

接下来，您需要确保没有计算初始化成本。显然，这些是实际成本，对某些人来说可能很重要，但在这种情况下，我们对循环本身感兴趣。

接下来，您需要处理特定于平台的行为。如果您使用的是 64 位 Windows 计算机，则可能在 32 位或 64 位模式下运行。在 64 位模式下，JIT 在许多方面都不同，通常会大大改变生成的代码。 具体来说，我猜中肯地猜，你可以访问两倍的通用寄存器。

在这种情况下，当循环的内部部分被天真地转换为机器代码时，需要将模测试中使用的常量加载到寄存器中。如果没有足够的资源来容纳循环中所需的所有内容，那么它必须将它们从内存中推入。即使来自 1 级缓存，与将其全部保存在寄存器中相比，这也是一个重大打击。

在VS 2010中，MS将默认目标从anycpu更改为x86。我没有像MSFT的资源或面向客户的知识，所以我不会尝试猜测。但是，任何查看您正在进行的性能分析的人都应该尝试两者。

一旦这些差距得到解决，这些数字似乎就更加合理了。任何进一步的差异可能需要比有根据的猜测更好的，相反，他们需要调查生成的机器代码中的实际差异。

我认为有几件事对于优化编译器来说会很有趣。

  • 芬诺已经提到的那些：
    • lcm 选项很有趣，但我看不到编译器编写器打扰。
    • 将除法简化为乘法和掩码。
      • 我对此了解不够，但其他人尝试过注意，他们在最近的英特尔芯片上调用分频器明显更好。
      • 也许你甚至可以用SSE2安排一些复杂的东西。
        • 当然，模
      • 16 操作已经成熟，可以转换为掩模或移位。
    • 编译器可以发现所有测试都没有副作用。
      • 它可以推测性地尝试一次评估其中的几个，在超级标量处理器上，这可以更快地推动事情，但在很大程度上取决于编译器布局与 OO 执行引擎的交互程度。
    • 如果寄存器压力很紧，您可以将常量实现为单个变量，在每个循环开始时设置，然后随着您的进行而递增。

这些都是完全的猜测，应该被视为闲散的蜿蜒曲折。如果你想知道，拆开它。

（移自OP）

将目标从 x86 更改为 anycpu 已将每次运行的平均执行时间从 282 毫秒降低到 84 毫秒。也许我应该将其拆分为第二个线程？

更新：
感谢下面的 Femaref 指出了一些测试问题，事实上，在遵循他的建议后，时间更短，表明 VM 设置时间在 Java 中很重要，但在 C# 中可能不是。在 C# 中，调试符号很重要。

我更新了我的代码以运行每个循环 10,000 次，并且最后只输出平均毫秒。我所做的唯一重大更改是 C# 版本，我切换到 [StopWatch 类][3] 以获得更高的分辨率。我坚持使用毫秒，因为它已经足够好了。

结果：
测试更改并不能解释为什么Java（仍然）比C#快得多。C# 性能更好，但这完全可以通过删除调试符号来解释。如果你读了[Mike Two][4]，并且我就这个OP附带的评论进行了交流，你会发现我仅仅通过从调试切换到发布，在五次C#代码运行中平均得到~280ms。

数字：

  • 未修改的 Java 代码的 10,000 计数循环平均给了我 45 毫秒（低于 55 毫秒）
  • 使用 StopWatch 类的 C# 代码的 10,000 计数循环平均给了我 282 毫秒（低于 320 毫秒）

所有这些都无法解释差异。事实上，差异变得更糟。Java从~5.8倍的速度提高到~6.2倍。

这是一个太短的任务，无法进行适当的计时。您需要至少运行 1000 次，看看会发生什么。看起来您正在从命令行运行这些，在这种情况下，您可能会比较两者的 JIT 编译器。尝试将两者放在一个简单的 GUI 中的按钮后面，并在返回经过的时间之前让该按钮循环至少几百次。即使忽略 JIT 编译，操作系统调度程序的粒度也可能会破坏计时。

哦，因为JIT...只计算按下按钮的第二个结果。:)

也许是因为DateTime对象的构造比System.currentTimeMillis贵得多。

在Java中，我会使用System.nanoTime（）。任何少于 2 秒的测试都应运行更长时间。值得注意的是，Java非常擅长优化低效代码或什么都不做的代码。 一个更有趣的测试是，如果你优化了代码。

您正在尝试获得一个无需使用循环即可确定的解决方案，即另一种方式会做得更好的问题。

您需要 11 到 20 的因子的乘积，即 2,2,2,2,3,3,5,7,11,13,17,19。 将这些相乘，你就有了答案。

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