java - node.js 如何比 c 和 java 更快？基准比较 node.js、c、java 和 python-6ren

java - node.js 如何比 c 和 java 更快？基准比较 node.js、c、java 和 python

转载作者：IT老高更新时间：2023-10-28 23:05:17

我制作了一个非常简单的基准测试程序，可以计算 4 种不同语言中最多 10,000,000 的所有质数。

(2.97 秒)- node.js(javascript)(4.4.5)

(6.96 秒) - c (c99)

(6.91 秒) - java (1.7)

(45.5 秒)- python (2.7)

以上是平均每次运行 3 次，用户时间

Node.js 运行速度最快。这让我感到困惑，原因有两个:

javascript 总是对变量使用 double 浮点数，而 c 和 java 在这种情况下使用(长)整数。整数数学应该更快。

javascript 通常被称为解释型语言，而实际上它是一种即时编译语言。但即便如此，JIT 编译器怎么能比完全编译的语言更快呢？
python 代码运行最慢，这并不奇怪，但是为什么 node.js 代码的运行速度与 python 不同？

我用 -O2 优化编译了 c 代码，但我尝试了所有级别的优化，并没有产生明显的差异。

countPrime.js

"use strict";

var isPrime = function(n){
    //if (n !== parseInt(n,10)) {return false};
    if (n < 2) {return false};
    if (n === 2) {return true};
    if (n === 3) {return true};
    if (n % 2 === 0) {return false};
    if (n % 3 === 0) {return false};
    if (n % 1) {return false};
    var sqrtOfN = Math.sqrt(n);
    for (var i = 5; i <= sqrtOfN; i += 6){
        if (n % i === 0) {return false}
        if (n % (i + 2) === 0) {return false}
    }
    return true;
};

var countPrime = function(){
    var count = 0;
    for (let i = 1; i < 10000000;i++){
        if (isPrime(i)){
            count++;
        }
    }
    console.log('total',count);
};

countPrime();

node.js 结果

$ time node primeCalc.js
total 664579

real    0m2.965s
user    0m2.928s
sys     0m0.016s

$ node --version
v4.4.5

素数计算器

#include <stdio.h>
#include <math.h>

#define true 1
#define false 0

int isPrime (register long n){
    if (n < 2)      return false;
    if (n == 2)     return true;
    if (n == 3)     return true;
    if (n % 2 == 0) return false;
    if (n % 3 == 0) return false;
    if (n % 1)      return false;
    double sqrtOfN = sqrt(n);
    for (long i = 5; i <= sqrtOfN; i += 6){
        if (n % i == 0) return false;
        if (n % (i + 2) == 0) return false;
    }
    return true;
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    register long count = 0;
    for (register long i = 0; i < 10000000; i++){
        if (isPrime(i)){
            count++;
        }
    }

    printf("total %li\n",count);
    return 0;
}

c 结果

$ gcc primeCalc.c -lm -g -O2 -std=c99 -Wall
$ time ./a.out
total 664579
real    0m6.718s
user    0m6.668s
sys     0m0.008s

PrimeCalc.java

公共(public)类 PrimeCalc {

  public static void main(String[] args) {
     long count = 0;
     for (long i = 0; i < 10000000; i++){
        if (isPrime(i)){
           count++;
        }
     }
     System.out.println("total "+count);
  }


  public static boolean isPrime(long n) {
     if (n < 2)      return false;
     if (n == 2)     return true;
     if (n == 3)     return true;
     if (n % 2 == 0) return false;
     if (n % 3 == 0) return false;
     if (n % 1 > 0)  return false;
     double sqrtOfN = Math.sqrt(n);
     for (long i = 5; i <= sqrtOfN; i += 6){
        if (n % i == 0) return false;
        if (n % (i + 2) == 0) return false;
     }
     return true;
  };

}

结果

 $ javac PrimeCalc.java 
 $ time java PrimeCalc
 total 664579
 real    0m7.197s
 user    0m7.036s
 sys     0m0.040s
 $ java -version
 java version "1.7.0_111"
 OpenJDK Runtime Environment (IcedTea 2.6.7) (7u111-2.6.7-0ubuntu0.14.04.3)
 OpenJDK 64-Bit Server VM (build 24.111-b01, mixed mode)

素数计算器

import math

def isPrime (n):
    if n < 2       : return False
    if n == 2      : return True
    if n == 3      : return True
    if n % 2 == 0  : return False
    if n % 3 == 0  : return False
    if n % 1 >0    : return False
    sqrtOfN = int(math.sqrt(n)) + 1
    for i in xrange (5, sqrtOfN, 6):
        if n % i == 0       : return False;
        if n % (i + 2) == 0 : return False;
    return True

count = 0;
for i in xrange(10000000) :
    if isPrime(i) :
        count+=1

print "total ",count

python 结果

time python primeCalc.py
total  664579
real    0m46.588s
user    0m45.732s
sys     0m0.156s 
$ python --version
Python 2.7.6

linux

$ uname -a
Linux hoarfrost-node_6-3667558 4.2.0-c9 #1 SMP Wed Sep 30 16:14:37 UTC 2015 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

额外的 c 运行时间(附录)

(7.81 s) 没有优化，gcc primeCalc.c -lm -std=c99 -Wall

(8.13 秒)优化 0，gcc primeCalc.c -lm -O0 -std=c99 -Wall

(7.30秒)优化1，gcc primeCalc.c -lm -O1 -std=c99 -Wall

(6.66秒)优化2，gcc primeCalc.c -lm -O2 -std=c99 -Wall

每个优化级别用户时间平均 3 次新运行 *

我在这里阅读了帖子:
Why is this NodeJS 2x faster than native C?
此代码使用的示例实际上并没有做任何重要的事情。就好像编译器可以在编译时计算出结果，甚至不需要执行循环 100000000 次就可以得出答案。
如果在计算中添加另一个除法步骤，则优化的重要性要小得多。

for (long i = 0; i < 100000000; i++) {
  d += i >> 1;    
  d = d / (i +1); // <-- New Term 
}

(1.88 秒)未优化

(1.53 秒)优化 (-O2)

2017 年 3 月 15 日更新
在阅读@leon 的答案后，我进行了一些验证测试。

测试 1 - 32 位 Beaglebone Black，664,579 个质数，最多 10,000,000

未经编辑的 calcPrime.js 和 calcPrime.c 在具有 32 位处理器的 Beaglebone black 上运行。

C 代码 = 62 秒(gcc，长数据类型)

JS 代码 = 102 秒( Node v4)

测试 2 - 64 位 Macbook Pro，664,579 个质数高达 10,000,000

用 uint32_t 替换 calcPrime.c 代码中的长数据类型，并在我的 MacBook pro 上运行，它有 64 位处理器。

C 代码 = 5.73 秒(clang，长数据类型)

C 代码 = 2.43 秒(clang，uint_32_t 数据类型)

JS 代码 = 2.12 秒( Node v4)

测试 3 - 64 位 Macbook Pro，91,836 个素数(i=1；i < 8,000,000,000；i+=10000)

在 C 代码中使用 unsigned long 数据类型，强制 javascript 使用一些 64 位。
- C 代码 = 20.4 秒(clang，长数据类型)
- JS 代码 = 17.8 秒( Node v4)

测试 4 - 64 位 Macbook Pro，86,277 个质数(i = 8,000,00,001；i < 16,000,000,000；i+=10000)

在 C 代码中使用 unsigned long 数据类型，强制 javascript 使用所有 64 位。
- C 代码 = 35.8 秒(clang，长数据类型)
- JS 代码 = 34.1 秒( Node v4)

测试 5 - Cloud9 64 位 Linux，(i = 0；i < 10000000；i++)

language    datatype    time    % to C
javascript  auto        3.22      31%
C           long        7.95     224%
C           int         2.46       0%
Java        long        8.08     229%
Java        int         2.15     -12%
Python      auto       48.43    1872%
Pypy        auto        9.51     287%

测试 6 - Cloud9 64 位 Linux，(i = 8000000001；i < 16000000000；i+=10000)

javascript  auto       52.38      12%
C           long       46.80       0%
Java        long       49.70       6%
Python      auto      268.47     474%
Pypy        auto       56.55      21%

(所有结果都是用户 3 次运行的平均秒数，运行之间的时间变化 < 10%)

喜忧参半

在整数范围内将 C 和 Java 数据类型更改为整数可显着加快执行速度。在 BBB 和 Cloud9 计算机上，切换到整数使 C 比 node.js 更快。但是在我的 Mac 上，node.js 程序仍然运行得更快。也许是因为 Mac 使用 clang 而 BBB 和 Cloud 9 计算机使用 gcc。有谁知道 gcc 编译的程序是否比 gcc 更快？

当使用所有 64 位整数时，C 在 BBB 和 Cloud9 PC 上比 node.js 快一点，但在我的 MAC 上慢一点。

您还可以看到，在这些测试中，pypy 比标准 python 快四倍。

node.js 甚至与 C 兼容这一事实让我感到惊讶。

最佳答案

我花了几天时间研究 JS/V8 和 C 之间的性能差异，首先关注 V8 引擎生成的 Hydrogen IR。然而，在确定那里没有特别的优化之后，我回到了对汇编输出的分析，让我吃惊的是答案非常简单，归结为 Jay Conrod's blog post 中的几句话。关于 V8 的内部结构:

According to the spec, all numbers in JavaScript are 64-bit floating point doubles. We frequently work with integers though, so V8 represents numbers with 31-bit signed integers whenever possible.

手头的示例允许以 32 位拟合所有计算，并且 node.js 充分利用了这一点! C 代码使用 long类型，在 OP(以及我的)平台上恰好是 64 位类型。因此，这是一个 32 位算术与 64 位算术问题，主要是由于昂贵的除法/余数运算。

如 long在 C 代码中替换为 int ，然后由 gcc 生成的二进制文件击败了 node.js。

此外，如果循环在 32 位数字范围之外的范围内查找素数，则 node.js 版本的性能会显着下降。

证明

使用的源代码在结果下方的答案中进一步找到。

Counting primes less than 10 million with C and node.js

$ gcc count_primes.c -std=c99 -O3 -lm -o count_primes_long
$ sed 's/long/int/g; s/%li/%i/g' count_primes.c > count_primes_int.c
$ gcc count_primes_int.c -std=c99 -O3 -lm -o count_primes_int

# Count primes <10M using C code with (64-bit) long type
$ time ./count_primes_long 0 10000000
The range [0, 10000000) contains 664579 primes

real    0m4.394s
user    0m4.392s
sys 0m0.000s

# Count primes <10M using C code with (32-bit) int type
$ time ./count_primes_int 0 10000000
The range [0, 10000000) contains 664579 primes

real    0m1.386s
user    0m1.384s
sys 0m0.000s

# Count primes <10M using node.js/V8 which transparently does the
# job utilizing 32-bit types
$ time nodejs ./count_primes.js 0 10000000
The range [ 0 , 10000000 ) contains 664579 primes

real    0m1.828s
user    0m1.820s
sys 0m0.004s

Performance figures in the vicinity of the limit of signed 32-bit integers

从第一列中包含的数字开始计算长度为 100,000 范围内的素数:

              | node.js | C (long) 
-----------------------------------
2,000,000,000 | 0.293s  | 0.639s    # fully within the 32-bit range
-----------------------------------
2,147,383,647 | 0.296s  | 0.655s    # fully within the 32-bit range
-----------------------------------
2,147,453,647 | 2.498s  | 0.646s    # 50% within the 32-bit range
-----------------------------------
2,147,483,647 | 4.717s  | 0.652s    # fully outside the 32-bit range
-----------------------------------
3,000,000,000 | 5.449s  | 0.755s    # fully outside the 32-bit range
-----------------------------------

count_primes.js

"use strict";

var isPrime = function(n){
    if (n < 2) {return false};
    if (n === 2) {return true};
    if (n === 3) {return true};
    if (n % 2 === 0) {return false};
    if (n % 3 === 0) {return false};
    var sqrtOfN = Math.sqrt(n);
    for (var i = 5; i <= sqrtOfN; i += 6){
        if (n % i === 0) {return false}
        if (n % (i + 2) === 0) {return false}
    }
    return true;
};

var countPrime = function(S, E){
    var count = 0;
    for (let i = S; i < E;i++){
        if ( isPrime(i) ) { ++count; }
    }
    return count;
};

if( process.argv.length != 4) {
    console.log('Usage: nodejs count_prime.js <range_start> <range_length>');
    process.exit();
}

var S = parseInt(process.argv[2]);
var N = parseInt(process.argv[3]);
var E = S+N;
var P = countPrime(S, E);
console.log('The range [', S, ',', E, ') contains', P, 'primes');

count_primes.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

#define true 1
#define false 0

int isPrime (register long n){
    if (n < 2)      return false;
    if (n == 2)     return true;
    if (n == 3)     return true;
    if (n % 2 == 0) return false;
    if (n % 3 == 0) return false;
    double sqrtOfN = sqrt(n);
    for (long i = 5; i <= sqrtOfN; i += 6){
        if (n % i == 0) return false;
        if (n % (i + 2) == 0) return false;
    }
    return true;
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    if ( argc != 3 ) {
        fprintf(stderr, "Usage: count_primes <range_start> <range_length>\n");
        exit(1);
    }
    const long S = atol(argv[1]);
    const long N = atol(argv[2]);
    register long count = 0;
    for (register long i = S; i < S + N; i++){
        if ( isPrime(i) ) ++count;
    }
    printf("The range [%li, %li) contains %li primes\n", S, S+N, count);
}