All Fast All Furious

  OSNews上Christopher W. Cowell-Shah的“终极”比较:Nine Language Performance Round-up: Benchmarking Math & File I/O。
        考虑到偶已经搞出Fast and Furious和2 Fast 2 Furious，这篇文章没法不叫All Fast All Furious。

        这是个小规模的基准测试，涉及9种现代语言或其变种：Java 1.3.1, Java 1.4.2，使用gcc 3.3.1编译的C，Python 2.3.2，使用Psyco 1.1.1编译的Python，四种Visual Studio .NET 2003支持的语言：Visual Basic, Visual C#, Visual C++ 和 Visual J#。
        这个Benchmark使用了各种数据类型测试数学和三角函数，简单的文件I/O。所有测试都在运行Windows XP的Pentium 4机器上完成。
       
        促使Christopher做这个测试的愿意有5个：
       
        第一，他很好奇Java 1.4.2－－最新的官方Java发布版－－和Microsoft的 .NET 2003 系列语言谁的性能更好。Java和 .NET 语言都是semi-compiled或者说semi-interpreted的。源码都被编译成中间代码，然后与解释器或者JIT编译器一同运行。对Java来说，中间代码就是字节码，解释器/编译器就是Java虚拟机JVM；.NET世界里的源码被编译成Microsoft中间语言MSIL，运行在.NET公共语言运行时引擎上。
        除了拥有令Java广受欢迎的特性比如自动资源管理，垃圾收集和类型安全外，.NET还有些新特性，比如跨语言调试，简易的GUI设计和极为直白的应用部署方法。不过，这些特性会带来性能损失吗？在对其编程模式增加了复杂的层次结构后，Microsoft是否放弃了其对Java的速度优势？
        Christopher的想法是，Microsoft提供的J#是一个Java 1.1.4规范的Java实现，似乎可以用这玩意来和Java比照，结果应该可以反映出SUN和Microsoft的运行时系统开销。
       
        第二，Microsoft宣称同样的例程，用任何一种.NET语言编写然后编译到相同的MSIL后，最终能以相同的速度运行－－这个说法确实很诱人，Christopher当然想检验一下。这个基准测试的代码相当简单，这么做才能保证各种.NET语言编写的例程在功能上是同等的。这四种语言是不是真的速度相同呢？
       
        第三，想看看Java或者.NET到底比完全编译的C慢多少。Christopher开始尝试了把CLR从Visual C++ benchmark中剥离出来－－用#pragma unmanaged预处理指令关闭托管特性，不过没有成功，性能未见任何改善。之后Christopher把VC程序用gcc重新编译，以便让C能真正的享受本地代码，不托管，不依赖CLR的好处。
       
        第四，看看semi-compiled语言和完全解释语言的差别，后者的代表是Python，Perl和PHP。现在有种观点是随着硬件速度越来越快，价格越来越便宜，我们会发现编译型语言的速度优势会大大无用。
       
        最后，Christopher想看看Java前后不同版本之间的差别－－这坏小子。SUN关于1.4.2性能提升的大牛皮早就吹出来了，所以咱们这次也测测Java 1.3.1到底和1.4.2差别有多大。
       
        设计良好的测试案例简直是fiendishly difficult。Christopher只测试了数学运算（32位整数算术运算，64位整数算术，64位浮点算术，64位三角运算），之后是顺序访问的文件I/O。测试并不复杂，没有涉及字符串处理，图形，对象创建与管理（对面向对象语言），复杂数据结构，网络访问，数据库访问。测试虽简单，不过能给出各种语言效率到底如何的大致印象。
       
        32位整数运算：
        使用32位循环计数器和32位整数操作数，循环从1到100万。忽略余数。
        1 - 1 + 2 * 3 / 4 - 5 + 6 * 7 / 8 - ... - 999,999,997 + 999,999,998 * 999,999,999 / 1,000,000,000
       
        64位整数运算：
        算法同上，换为使用64位循环计数器和操作数。循环从100亿到110亿。
       
        64位浮点算术：
        和64位整数算术算法相同，不过使用64位浮点循环计数器和操作数，不忽略余数。
       
        64位浮点三角函数：
        使用64位浮点循环计数器，计算从1到1千万的所有值的sin，cos，tg，基于10的对数和平方根。
       
        I/O：
        写100万行80个字符的数据到文本文件，然后读回内存。
       
        编译及优化等选项：
        Java 1.3.1：javac -g:none -O编译，java -hotspot 运行。
        Java 1.4.2：javac -g:none 编译，java -server 运行。
        C：gcc -march=pentium4 -msse2 -mfpmath=sse -O3 -s -mno-cygwin 编译。
        Python with and without Psyco：无优化。python -O只能加快加载，对运行无用。
        Visual Basic：使用Release配置，大开optimized，关闭integer overflow checks。
        Visual C#：release，打开optimize code。
        Visual C++：release，打开whole program optimization，优化为maximize speed，打开global optimizations，enable intrinsic functions，设置size or speed为favor fast code，设置omit frame pointers为yes，设置optimize for processor为Pentium 4 and above，设置buffer security check为no，设置enable enhanced instruction set为SIMD2，设置optimize for Windows98为no。
        Visual J#：release，打开optimize code，关闭generate debugging information。
       
        这里是测试代码。Java 1.3.1, Java 1.4.2 和 Visual J#使用的是相同代码。Visual C++ 和 gcc C使用几乎相同代码。C程序在Cygwin下用gcc编译。Psyco：增加import psyco 和 psyco.full()到Python代码头部。四个Microsoft语言的测试在Microsoft Visual Studio .NET 2003下完成。
        Java的log() 函数使用e为底算自然对数，其他语言都用10为底算对数。很奇怪Java没有基于10的log函数，这可能会影响性能。
       
        执行每个测试前，Christopher都整理了硬盘，重启机器，并关闭了不需要的后台服务。每个测试都运行了至少3遍，选用了最好结果。启动时间未计算在内。测试的硬件环境是：
        Type: Dell Latitude C640 Notebook
        CPU: Pentium 4-M 2GHz
        RAM: 768MB
        Hard Disk: IBM Travelstar 20GB/4500RPM
        Video: Radeon Mobility 7500/32MB
        OS: Windows XP Pro SP 1
        File System: NTFS
       
        结果：
        Python/Psyco 结果剔除在外－－因为数字太大^_^
        单位：秒
        数值越小越优秀。
        
          int
math long
math double
math
trig
I/O
TOTAL Visual C++ 9.6 18.8 6.4 3.5 10.5 48.8 Visual C# 9.7 23.9 17.7 4.1 9.9 65.3 gcc C 9.8 28.8 9.5 14.9 10.0 73.0 Visual Basic 9.8 23.7 17.7 4.1 30.7 85.9 Visual J# 9.6 23.9 17.5 4.2 35.1 90.4 Java 1.3.1 14.5 29.6 19.0 22.1 12.3 97.6 Java 1.4.2 9.3 20.2 6.5 57.1 10.1 103.1 Python/Psyco 29.7 615.4 100.4 13.1 10.5 769.1 Python 322.4 891.9 405.7 47.1 11.9 1679.0
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        分析：
        第一，Java（至少1.4.2的Java）和.NET 2003系列语言比，在大多数测试中表现都很不错。除了三角计算，Java事实上和VC－－Microsoft最快的语言－－一样快。不过Java的三角也太差了，连解释执行的Python都不如。让人迷惑的是1.3.1的三角表现不错。
        第二，Microsoft声称的所有的4种.NET语言都编译成MSIL似乎确有其事－－至少对数学函数。整数算术运算的结果4种语言几乎相同。长整数，双精度和三角结果：VC#，VB和VJ#相同，不过C++编译器输出了令人印象深刻的快速代码。可能C++能更好地利用Pentium 4的SSE2 SIMD扩展完成算术和三角运算－－仅是猜测。I/O测试两极分化，Visual Basic 和 Visual J#显然在利用I/O例程上效率比VC#和VC低。很明显，功能相同的代码并没有编译成相同的MSIL代码。
        第三，Java 1.4.2和gcc C一样优秀乃至更好－－除了三角计算外。这是这次测试里最让人吃惊的地方。通常合乎大家逻辑的猜测是在JVM中运行字节码会带来某种性能损失－－和本地机器码比较。在这次测试中，这个推测显然不知为什么不成立。
        第四，全解释执行的Python，和推测的一样，比任何全编译或半编译的语言都慢很多－－又是甚至有1/60的差距。不过I/O性能上，Python和最快的语言也属于同一阵营，而且比VB和VJ#快。Psyco编译器能为Python创造奇迹，为数学和三角计算减少了10%到70%的时间－－和未经Psyco编译的Python比。和把Psyco 包含到Python中的简单相比，这个性能提升是多么惊人啊。
        第五，Java 1.4.2比Java 1.3.1在算术上快很多。不过，前面提过，三角运算则落后了。 Christopher 猜测1.4.2中应该还有不同的，更有效地调用三角函数的方法。还有一种可能是1.4.2更注意精确而不是速度，所以新函数更准确但是速度更慢。
       
        收获是，Christopher很吃惊地发现：4个.NET 2003语言在许多测试上性能表现相近；Java 1.4.2 表现如此优异。Christopher的个人意见省去哈......
       
        这个测试还可以扩展到更广的范围，自己去OSNews瞧瞧吧。

        追求更高更快更强是支撑我们这种行业的精神，真的，没有这种冲劲，很多事情都会失去意义。