java - 为什么 Scala 的尾递归比 Java 慢？

Question

使用尾递归进行简单加法的 Scala 代码

def add(list : List[Int],sum:Int):Int = {
    //Thread.dumpStack()
    if (list.isEmpty) {
        sum
    } else {
        val headVal  = list.head
        add(list.tail, sum + headVal)
    }
}

下面是递归加法的java代码

public static int add(List<Integer> list, Integer sum) {
    // Thread.dumpStack();
    if (list.isEmpty()) {
        return sum;
    } else {
        int headVal = list.remove(0);
        return add(list, sum + headVal);
    }
}

Java 版本的运行速度至少快 10 倍。运行 1000 个条目。前后使用 System.nanoTime() API 测量时间。

Scala 版本 2.10，Java 版本 Java 7。两种运行的 JVM 属性相同。

Answer 1

首先，您展示的 Scala 方法 add 不在(类)上下文中。如果类中有此方法，则不能应用尾递归优化，因为该方法既不是final 也不是private。如果加上@tailrec，编译会失败。如果我用 10000 运行它，它会导致堆栈溢出。

至于 Java 版本:Java 版本正在使用一个可变 列表:头/尾分解改变底层列表。所以在求和之后你不能再使用那个列表，因为它是空的。

此外，Scala 中的 List 与 Java List 具有完全不同的含义； Scala 列表用于头/尾分解。据我所知，java.util.List 没有 tail 方法，Java 编译器也不应用 tailrec 优化，因此比较是“不公平的”。

无论如何，我已经在不同的场景下运行了一些基于 JMH 的测试。

您真正可以比较的只有两个场景是“Scala while”和“Java for”。他们既不使用 OOP 也不使用函数式编程，这只是命令式的。

五种不同 Scala 场景的结果

(请向右滚动，最后一栏有小说明)

Benchmark                   Mode   Samples         Mean   Mean error    Units
a.b.s.b.Benchmark5a.run    thrpt        10      238,515        7,769   ops/ms Like in the question, but with @tailrec
a.b.s.b.Benchmark5b.run    thrpt        10      130,202        2,232   ops/ms Using List.sum
a.b.s.b.Benchmark5c.run    thrpt        10     2756,132       29,920   ops/ms while (no List, vars, imperative)
a.b.s.b.Benchmark5d.run    thrpt        10      237,286        2,203   ops/ms tailrec version with pattern matching
a.b.s.b.Benchmark5e.run    thrpt        10      214,719        2,483   ops/ms Like in the question (= no tailrec opt)

• 5a 和 5e 就像问题中的一样； 5a 与 @tailrec。
• 5b:List.sum:非常慢
• 5c:不足为奇，命令式版本是最快的。
• 5d 使用模式匹配而不是 if(那将是“我的风格”)，我添加了这个的来源:

package app.benchmark.scala.benchmark5

import scala.annotation._
import org.openjdk.jmh.annotations.GenerateMicroBenchmark
import org.openjdk.jmh.annotations.Scope
import org.openjdk.jmh.annotations.State
import org.openjdk.jmh.runner.Runner
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder

@State(Scope.Benchmark)
object BenchmarkState5d {
  val list = List.range(1, 1000)
}

class Benchmark5d {
  private def add(list : List[Int]): Int = {
    @tailrec
    def add(list : List[Int], sum: Int): Int = {
      list match {
        case Nil =>
          sum
        case h :: t =>
          add(t, h + sum)
      }
    }
    add(list, 0)
  }

  @GenerateMicroBenchmark
  def run() = {
    add(BenchmarkState5d.list)
  }
}

三种 Java 场景

Benchmark                   Mode   Samples         Mean   Mean error    Units
a.b.j.b.Benchmark5a.run    thrpt        10       40,437        0,532   ops/ms mutable (rebuilds the list in each iteration)
a.b.j.b.Benchmark5b.run    thrpt        10        0,450        0,008   ops/ms subList
a.b.j.b.Benchmark5c.run    thrpt        10     2735,951       29,177   ops/ms for

如果你真的想在函数式编程风格(=不可变、尾递归、头/尾分解)的意义上进行比较，Java 版本要慢五倍。

正如 Marko Topolnik 在评论中指出的那样:

subList doesn't copy the tail, but it does something comparably bad, when applied to a LinkedList: it wraps the original list and uses an offset to accomodate the semantics. The result is that an O(n) recursive algorithm becomes O(n2)---the same as if the tail was repeatedly copied. Plus, wrappers accrete so you end up with the list wrapped a thousand times. Definitely not comparable to a head/tail list

public class Benchmark5a {
    public static int add(List<Integer> list, Integer sum) {
        if (list.isEmpty()) {
            return sum;
        } else {
            int headVal = list.remove(0);
            return add(list, sum + headVal);
        }
    }

    @GenerateMicroBenchmark
    public long run() {
        final List<Integer> list = new LinkedList<Integer>();
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add(i);
        }
        return add(list, 0);
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new Benchmark5a().run());
    }
}

---

@State(Scope.Benchmark)
class BenchmarkState5b {
    public final static List<Integer> list = new LinkedList<Integer>();

    static {
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add(i);
        }
    }
}

public class Benchmark5b {
    public static int add(List<Integer> list, int sum) {
        if (list.isEmpty()) {
            return sum;
        } else {
            int headVal = list.get(0);
            return add(list.subList(1, list.size()), sum + headVal);
        }
    }

    @GenerateMicroBenchmark
    public long run() {
        return add(BenchmarkState5b.list, 0);
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new Benchmark5b().run());
    }
}

---

详细的 Scala 结果

(所有结果只展示最后一个场景，以及整体结果)

[...]

# VM invoker: /home/oracle-jdk-1.8-8u40/data/oracle-jdk-1.8.0_40/jre/bin/java
# VM options: <none>
# Fork: 1 of 1
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 10 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Throughput, ops/time
# Benchmark: app.benchmark.scala.benchmark5.Benchmark5e.run
# Warmup Iteration   1: 166,153 ops/ms
# Warmup Iteration   2: 215,242 ops/ms
# Warmup Iteration   3: 216,632 ops/ms
Iteration   1: 215,526 ops/ms
Iteration   2: 213,720 ops/ms
Iteration   3: 213,967 ops/ms
Iteration   4: 215,468 ops/ms
Iteration   5: 216,247 ops/ms
Iteration   6: 217,514 ops/ms
Iteration   7: 215,503 ops/ms
Iteration   8: 211,969 ops/ms
Iteration   9: 212,989 ops/ms
Iteration  10: 214,291 ops/ms

Result : 214,719 ±(99.9%) 2,483 ops/ms
  Statistics: (min, avg, max) = (211,969, 214,719, 217,514), stdev = 1,642
  Confidence interval (99.9%): [212,236, 217,202]


Benchmark                   Mode   Samples         Mean   Mean error    Units
a.b.s.b.Benchmark5a.run    thrpt        10      238,515        7,769   ops/ms
a.b.s.b.Benchmark5b.run    thrpt        10      130,202        2,232   ops/ms
a.b.s.b.Benchmark5c.run    thrpt        10     2756,132       29,920   ops/ms
a.b.s.b.Benchmark5d.run    thrpt        10      237,286        2,203   ops/ms
a.b.s.b.Benchmark5e.run    thrpt        10      214,719        2,483   ops/ms

---

Java 结果详细信息

# VM invoker: /home/oracle-jdk-1.8-8u40/data/oracle-jdk-1.8.0_40/jre/bin/java
# VM options: <none>
# Fork: 1 of 1
# Warmup: 3 iterations, 1 s each
# Measurement: 10 iterations, 1 s each
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Throughput, ops/time
# Benchmark: app.benchmark.java.benchmark5.Benchmark5c.run
# Warmup Iteration   1: 2777,495 ops/ms
# Warmup Iteration   2: 2888,040 ops/ms
# Warmup Iteration   3: 2692,851 ops/ms
Iteration   1: 2737,169 ops/ms
Iteration   2: 2745,368 ops/ms
Iteration   3: 2754,105 ops/ms
Iteration   4: 2706,131 ops/ms
Iteration   5: 2721,593 ops/ms
Iteration   6: 2769,261 ops/ms
Iteration   7: 2734,461 ops/ms
Iteration   8: 2741,494 ops/ms
Iteration   9: 2740,012 ops/ms
Iteration  10: 2709,915 ops/ms

Result : 2735,951 ±(99.9%) 29,177 ops/ms
  Statistics: (min, avg, max) = (2706,131, 2735,951, 2769,261), stdev = 19,299
  Confidence interval (99.9%): [2706,774, 2765,128]


Benchmark                   Mode   Samples         Mean   Mean error    Units
a.b.j.b.Benchmark5a.run    thrpt        10       40,437        0,532   ops/ms
a.b.j.b.Benchmark5b.run    thrpt        10        0,450        0,008   ops/ms
a.b.j.b.Benchmark5c.run    thrpt        10     2735,951       29,177   ops/ms

---

更新:添加了另一个 Java 场景 5d 使用 ArrayList

Benchmark                   Mode   Samples         Mean   Mean error    Units
a.b.j.b.Benchmark5a.run    thrpt        10       34,931        0,504   ops/ms
a.b.j.b.Benchmark5b.run    thrpt        10        0,430        0,005   ops/ms
a.b.j.b.Benchmark5c.run    thrpt        10     2610,085        9,664   ops/ms
a.b.j.b.Benchmark5d.run    thrpt        10       56,693        1,218   ops/ms