C，Java和Python三門編程語言性能比較

猿友 2020-07-27 11:43:59 瀏覽數(shù) (14059)

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在編程中有許多語言，而不同的編程語言有時(shí)候也能實(shí)現(xiàn)相同的功能，那么不同語言之間的運(yùn)行速度有多少差別呢？這里選擇C,Java和python三門熱門語言來做比較。

實(shí)驗(yàn)

這里使用三種語言進(jìn)行矩陣乘法。矩陣的大小為2048 x 2048（即每個(gè)矩陣的乘法和加法運(yùn)算為8,589,934,592），我為它們填充了0.0到1.0之間的隨機(jī)值（使用隨機(jī)值而不是對所有三種語言使用完全相同的矩陣的影響可以忽略不計(jì)）。每個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行了五次，并計(jì)算了平均運(yùn)行時(shí)間。

1.C代碼

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


#define n 2048


double A[n][n];
double B[n][n];
double C[n][n];


int main() {


    //populate the matrices with random values between 0.0 and 1.0
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < n; j++) {


            A[i][j] = (double) rand() / (double) RAND_MAX;
            B[i][j] = (double) rand() / (double) RAND_MAX;
            C[i][j] = 0;
        }
    }


    struct timespec start, end;
    double time_spent;


    //matrix multiplication
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &start);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        for (int j = 0; j < n; j++) {
            for (int k = 0; k < n; k++) {
                C[i][j] += A[i][k] * B[k][j];
            }
        }
    }
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &end);
    time_spent = (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000000.0;
    printf("Elapsed time in seconds: %f \n", time_spent);
    return 0;
}

2.Java代碼

import java.util.Random;


public class MatrixMultiplication {
    static int n = 2048;
    static double[][] A = new double[n][n];
    static double[][] B = new double[n][n];
    static double[][] C = new double[n][n];


    public static void main(String[] args) {
        //populate the matrices with random values between 0.0 and 1.0
        Random r = new Random();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                A[i][j] = r.nextDouble();
                B[i][j] = r.nextDouble();
                C[i][j] = 0;
            }
        }


        long start = System.nanoTime();
        //matrix multiplication
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                for (int k = 0; k < n; k++) {
                    C[i][j] += A[i][k] * B[k][j];
                }
            }
        }


        long stop = System.nanoTime();
        double timeDiff = (stop - start) * 1e-9;
        System.out.println("Elapsed time in seconds: " + timeDiff);
    }
}

3.python代碼

import random
import time


n = 2048


#populate the matrices with random values between 0.0 and 1.0
A = [[random.random() for row in range(n)] for col in range(n)]
B = [[random.random() for row in range(n)] for col in range(n)]
C = [[0 for row in range(n)] for col in range(n)]


start = time.time()
#matrix multiplication
for i in range(n):
    for j in range(n):
        for k in range(n):
            C[i][j] += A[i][k] * B[k][j]


end = time.time()
print("Elapsed time in seconds %0.6f" % (end-start))

如何編譯與運(yùn)行

#C
gcc MatrixMultiplication.c -o matrix
./matrix


#Java
javac MatrixMultiplication.java
java MatrixMultiplication


#Python
python MatrixMultiplication.py

運(yùn)行時(shí)間

C，Java和Python運(yùn)行時(shí)間

根據(jù)這些結(jié)果，C比Java慢2.34倍，Python比Java慢33.34倍。

等待！??！ C不是應(yīng)該最快的嗎？？？

實(shí)際上，這是不公平的比較。當(dāng)我們編譯Java程序時(shí)，即使沒有任何優(yōu)化標(biāo)志，Java JIT（即時(shí)）編譯器也會自動(dòng)執(zhí)行優(yōu)化。但是，對于GCC（編譯C程序），情況并非如此，我們必須顯式設(shè)置優(yōu)化標(biāo)志。

因此，在編譯C程序時(shí)使用了-O2和-O3優(yōu)化標(biāo)志，并再次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

gcc -O2 MatrixMultiplication.c -o matrix./matrixgcc -O3 MatrixMultiplication.c -o matrix./matrix

新的運(yùn)行時(shí)間

C，Java和Python新的運(yùn)行時(shí)間

現(xiàn)在，Java代碼比C[-O3]慢1.69倍，而Python代碼慢56倍。我做出了正確的決定（或者很幸運(yùn)：-）），選擇了C而不是其他編程語言。

總結(jié)結(jié)果

C，Java和Python結(jié)論

討論結(jié)果

Python相對非常慢，因?yàn)镃是經(jīng)過編譯的，而Python是被解釋的。編譯器一次將C代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼。另一方面，解釋器必須讀取，解釋和執(zhí)行每一行代碼，并更新機(jī)器狀態(tài)（這會增加很多開銷）。將程序編譯為機(jī)器代碼時(shí)，CPU可以直接執(zhí)行它。但是，當(dāng)涉及到解釋器時(shí)，CPU將運(yùn)行解釋器，并且解釋器本身將執(zhí)行程序。（如果您對編譯器和解釋器感興趣，請閱讀Vaidehi Joshi撰寫的精彩文章）