为什么C++代码的执行速度比Java慢？

Question

我最近用Java写了一个计算密集型算法，然后把它翻译成C++。令我吃惊的是，C++的执行速度要慢得多。我现在已经编写了一个更短的Java测试程序，以及一个相应的C++程序-参见下面。我的原始代码具有大量的数组访问功能，测试代码也是如此。C++的执行时间要长5.5倍（请参阅每个程序末尾的注释）。

以下1^st21条评论后的结论...

null

null

Software environment:
    Ubuntu 16.04 (64 bit).
    Netbeans 8.2 / jdk 8u121 (java code executed inside netbeans)
    g++ (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.4) 5.4.0 20160609
    Compilation: g++ -o cpp_test cpp_test.cpp

Java代码：

public class JavaTest {
    public static void main(String[] args) {
        final int ARRAY_LENGTH = 100;
        final int FINISH_TRIGGER = 100000000;
        int[] intArray = new int[ARRAY_LENGTH];
        for (int i = 0; i < ARRAY_LENGTH; i++) intArray[i] = 1;
        int i = 0;
        boolean finished = false;
        long loopCount = 0;
        System.out.println("Start");
        long startTime = System.nanoTime();
        while (!finished) {
            loopCount++;
            intArray[i]++;
            if (intArray[i] >= FINISH_TRIGGER) finished = true;
            else if (i <(ARRAY_LENGTH - 1)) i++;
            else i = 0;
        }
        System.out.println("Finish: " + loopCount + " loops; " +
            ((System.nanoTime() - startTime)/1e9) + " secs");
        // 5 executions in range 5.98 - 6.17 secs (each 9999999801 loops)
    }
}

C++代码：

//cpp_test.cpp:
#include <iostream>
#include <sys/time.h>
int main() {
    const int ARRAY_LENGTH = 100;
    const int FINISH_TRIGGER = 100000000;
    int *intArray = new int[ARRAY_LENGTH];
    for (int i = 0; i < ARRAY_LENGTH; i++) intArray[i] = 1;
    int i = 0;
    bool finished = false;
    long long loopCount = 0;
    std::cout << "Start\n";
    timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
    long long startTime = (1000000000*ts.tv_sec) + ts.tv_nsec;
    while (!finished) {
        loopCount++;
        intArray[i]++;
        if (intArray[i] >= FINISH_TRIGGER) finished = true;
        else if (i < (ARRAY_LENGTH - 1)) i++;
        else i = 0;
    }
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
    double elapsedTime =
        ((1000000000*ts.tv_sec) + ts.tv_nsec - startTime)/1e9;
    std::cout << "Finish: " << loopCount << " loops; ";
    std::cout << elapsedTime << " secs\n";
    // 5 executions in range 33.07 - 33.45 secs (each 9999999801 loops)
}

Answer 1

我能让C++程序优于Java的唯一一次是在使用分析信息时。这表明运行时信息（Java在默认情况下获得）中存在允许更快执行的内容。

除了一个非常重要的if语句之外，程序中没有太多的内容。也就是说，如果不分析整个程序，很难预测哪个分支是最有可能的。这使我相信这是一个分支错误预测的问题。现代CPU执行指令流水线操作，这允许更高的CPU吞吐量。然而，这需要预测下一个要执行的指令是什么。如果猜测错误，必须清除指令管道，并加载正确的指令（这需要时间）。

在编译时，编译器没有足够的信息来预测哪个分支是最有可能的。CPU也会做一些分支预测，但这通常是沿着loops loop和ifs if（而不是else）的路线。

然而，Java的优点是能够在运行时和编译时使用信息。这允许Java将中间分支标识为最频繁出现的分支，并为管道预测该分支。