Python、Java和C中的嵌套循环比较

Question

下面这段Python代码运行起来非常慢。（我等不及程序结束了，不过我朋友告诉我，他运行这段代码花了20分钟。）

而同样的代码在Java中大约只需要8秒，在C语言中则需要45秒。

我本来就知道Python会慢，但没想到会慢到这个程度。而且我原本以为C语言会比Java快，结果却反而慢了。难道Java虚拟机使用了某种循环展开的技巧来提高速度吗？为什么Python会这么慢呢？

import time
st=time.time()
for i in xrange(0,100000):
    for j in xrange(0,100000):
        continue;
print "Time taken : ",time.time()-st

Answer 1

这个教训是：性能永远不是你想象的那样。因此，永远要测量，别轻信。

你可能会看到这些数字的原因有几个（而且根据第一句话，有些可能完全不对）：

C语言是为“i586”处理器编译的（也叫做奔腾处理器）。这个CPU从1993年卖到大约2000年。你最近见过这种处理器吗？我想没有吧。所以C代码并没有真正针对你现在的CPU进行优化（换句话说：现在的CPU努力想变得像当年的奔腾CPU一样快）。而Java则是根据你的CPU在加载代码时进行编译的。它可以使用一些C语言无法做到的技巧。代价是，C程序启动只需要15毫秒，而Java程序则需要4秒。

Python目前还没有即时编译器（JIT），所有代码都被转换成字节码，然后再被解释执行。这意味着上面的循环会被转成一堆字节码指令，然后由一个C程序来解释。这就需要时间。Python并不适合处理巨大的循环，它更适合用来实现聪明的算法，而这些算法在其他语言中很难表达（至少在代码量和可读性上无法做到）。

所以，就像用18吨的卡车去购物没有意义（虽然你可以搬运任何东西，但找不到停车的地方），选择编程语言时要根据你需要解决的问题来决定。如果需要小而快？用C。如果只需要快？用Java。如果需要灵活？用Python。如果需要灵活又快：用Python加上一个C语言的辅助库（比如NumPy）。

Answer 2

你的测试并没有测量到什么有意义的东西。

一种编程语言在实际使用中的表现，和它执行一个紧凑循环的速度关系不大。

老实说，我对C和Java花了那么长时间感到好奇；我本以为它们的编译器会意识到内层循环里什么都没做，然后把它们优化掉，变成不存在（也就是0秒）。

而Python则是依然在被解释执行（我可能错了）。无论如何，看起来外层循环需要构建100,000个xrange对象来运行那个空的内层循环，这个过程不太可能被优化掉。

所以你真正测量的只是各种编译器识别出没有实际计算工作的能力。

Answer 3

使用gcc 4.2编译器，并加上-O1或更高的优化选项，程序会把循环优化掉，这样执行时间只需要1毫秒。这种测试并不能很好地代表实际情况，因为它和真实的使用场景相差很远。你使用嵌套循环是有原因的，而且你不会让它空着。

Python的执行速度比C慢，因为它离机器语言更远。虽然xrange是个不错的抽象，但相比简单的C循环，它增加了很多机器代码的复杂性。

C语言代码：

int main( void ){
        int i, j;
        for (i=0;i<100000;i++){
                for (j=0;j<100000;j++){
                        continue;
                }
        }
        return 0;
}