java - 编译为字节码，Java 与 Python。所用时间不同的原因是什么？

Question

Java 和 python(仅讨论 CPython)都被分别解释为 Java 和 CPython 字节码。然后，两个字节码都由它们各自的虚拟机(JVM 和 Cpython VM)解释。 (这里我忽略了运行 10K 后启动的 JIT 编译部分。)
我对此有两个问题:

与 python 相比，为什么 Java 编译为 java 字节码需要这么多时间？在 java 中，编译是一个显式步骤，而在 python 中，它发生在运行时。

为什么在第一次运行时编译到 CPython 字节码并缓存在所有后续运行中使用的 .pyc 文件中时，python 的第一次运行和第 n 次运行之间没有明显差异。这个字节码编译真的是python中几乎零成本的任务吗？

尽管它在运行时中扮演着重要角色，但我认为静态类型与动态类型在编译过程中不应该扮演太大的角色，也不应该是造成这种时序差异的唯一原因。另外，我认为在这两种实现中，在字节码生成期间都会进行一些优化。
我在这里缺少什么吗？ (我没有太多使用 Java 的经验。)
更新:
我实际上对 python 第一次运行和后来运行进行了时间分析，发现语句 2 是错误的。运行大型 python 文件时有一个非常明显的区别。
方法很简单。创建了一个带有重复行的大文件

a = 5
b = 6
c = a*b
print(str(c))

然后将其导入文件 large.py并运行 time python large.py首次运行结果:

python large.py  1.49s user 0.33s system 97% cpu 1.868 total

第二次运行结果:

python large.py  0.20s user 0.08s system 90% cpu 0.312 total

删除 __pycache__ 文件夹后:

python large.py  1.57s user 0.34s system 97% cpu 1.959 total

所以基本上在 python 中，编译为字节码是一个昂贵的过程，只是它不像 java 那样昂贵。

Answer 1

Java 字节码编译器必须比 Python 字节码编译器做更多的检查。为了说明这一点，请从“hello world”程序中提取这一行:

System.out.println("Hello World!");

为了编译这行代码，编译器必须找出它所有部分的含义。这比听起来更复杂: System可以是一个包。或者它可以是一个类，或者在代码所在的同一个包中，或者在一个导入的包中，或者在 java.lang 中。 .所以编译器必须按顺序检查所有这些选项。一旦找到 System类，它必须检查它的访问修饰符是否允许这种使用。
之后，编译器必须弄清楚 out 是什么是:它是一个嵌套类，还是一个类成员，它的访问修饰符是什么？编译器发现它是 PrintStream 的静态成员变量。类型。然后它必须对 println 进行相同的检查。 .编译器在知道所有这些之前不能为这行代码发出任何代码，因为生成的字节码根据所涉及的对象的类型而有所不同。
所有这些检查都需要时间，最重要的是，即使对于最简单的程序，编译器也必须从标准库中加载大量的类定义。
相比之下，Python字节码编译器只需要解析一行，就可以立即生成代码，无需查看额外的模块。在 Python 中，代码将被编译为:

从当前范围 (LOAD_NAME)

中查找“系统”对象

从系统 (LOAD_ATTR)

中查找“out”属性

从“out”(LOAD_METHOD)查找“println”

生成调用它的代码 (CALL_METHOD)

Python 编译器并不关心其中一些查找是否在运行时失败。
另一个重要的区别是 Java 编译器完全用 Java 编写，并在运行时编译为机器代码，而大部分 CPython 实现是提前编译的 C 代码。这意味着与 Python 相比，Java 存在一些“冷启动”问题。
更新:从 Java 9 开始，您可以直接从源代码运行 Java 程序，而无需将其编译为字节码。运行一个简单的“hello world”程序可以让您了解通过提前将 Java 编译为字节码可以节省多少，即使对于一个简单的程序也是如此:

根据 time python hello.py 测量，python 程序运行时间为 45-50 毫秒。 .

没有提前编译成字节码的 Java 程序运行时间为 350-400 毫秒，用 time java Hello.java 测量。

编译为字节码后的 Java 程序运行时间为 70-80 毫秒，用 time java Hello 测量。

免责声明:没有遵循科学方法或进行统计分析，因此请谨慎对待。测试环境:Python 3.8.5，Java 11.0.8，Fedora 32，Intel i7 8750H CPU
你好.py:

print("hello world")

你好.java:

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello world");
    }
}