[转]C/C++/Perl/汇编/Java效率比较
Posted: October 11, 2006 at 11:04 am | Tags: cache, class, html, java, linux, python, ror, server, unix, web, windows, 优化, 平台, 开发, 技术, 测试, 类本文适合初学编程的程序员阅读，它对比了几种编程语言在解决同一问题的时候的运效率。并通过具体的例子进行了量化分析。主要目的是帮助初学者认识各种编程语言的特质，并且能够理性的选择适合的编程语言来进行工作。
事发
我无聊的翻着散落案头的书籍，这些都是五花八门的关于编程和系统管理的著作。干了这么多年程序员，大大小小的软件和项目也做了无数。每每有新入行的朋友问我这个所谓的"老前辈"：哪种语言最好之类的问题，我总会作出一副知识渊博的样子，复述着从更老的老前辈那里听来的或者某些名著上看来的"知识"。就好比我们从学习编程的第一天起，就被计算机老师告知，COBOL语言是擅长处理商务事务、FOTRAN语言是用于科学计算一样。类似的知识还有"汇编语言比C语言快得多"以及"JAVA是一种效率很低的语言环境"在一代又一代的程序员中口耳相传，几乎成为了毋庸置疑的真理。
我产生了一个想法，能不能对于同一个应用用几种编程语言分别实现，来比较一下看看到底哪种语言效率最高？
老实说我自己都觉得这个想法很无聊，想想谁会反复用不同的语言写同一个程序呢？下雨天打孩子，闲着也是闲着。再说，对于某种语言的弱点和优势有一个量化的分析，对于我们今后在做项目的时候面临工具选择也少许有一点指导意义。另外，觉得好玩才是我做这件事情的真正原因。
选题
选择一个什么样的程序问题进行这样的测试呢？这是一个很关键的问题，也最容易影响测试的公平性。另外的，对于每种语言，各自的优势都是不同的。程序员的偏爱也是各不相同的。在网上和现实中，对于什么语言更好一些的争论从来就没有停止过。甚至的，各门各派的程序员所构成的各种阵营，把某种语言奉若神明的也不在少数。不信，你在CSDN的JAVA论坛说一句"JAVA执行效率太低了云云"试试？立刻会被铺天盖地的板砖掀翻在地。类似的，还有管理员对于操作系统的偏好和争论：在Linux论坛你要是表扬Windows，其惨烈程度简直是难以言状。因此，从这个意义上来说，程序员们对于编程语言的偏好，类似于战士之喜爱枪械，赛手之喜爱赛车，已经上升为一种精神层面的东西了。蔡学镛先生说得好：有人逢微软必反，有人逢微软必捧。这是一种纯粹的精神上的爱，但它可能会影响正常的、科学的思考。
可以预料的，我这篇文章一定会遭到各路豪杰的迎头痛击。
好了，让我们言归正转吧。首先的，我们的选题中要使用的各种程序语言的最常用的要素。什么是最常用的要素呢？当然了，大家都有的就是赋值、数组操作、循环、判断等。另外，对IO的操作也是编程语言重要的内容。其次的，操作时间一定要长，否则，对于解释性的语言来说是极不公平的：解释器还没调入内存呢，人家编译派的已经运行完了。最后，就是程序不能太复杂。除了我没有那么大的毅力用各种语言完成一个复杂算法的决心外，程序过于复杂，算法在测试中起的作用就越来越大，影响运行效率的原因也就增加了。算法过于复杂，开发工具的扩展部分用得也就越多。于是就成了语言附加库之间的竞赛了，这是我不愿意看到的。
考虑上述因素，我设计了一个简单的选题：从指定文本文件中搜索指定字符串，计算个数。并且打印出搜索到的个数作为结果输出。作为程序员的你粗粗过一下脑子，马上会想到这个算法里面包含了条件判断、循环、数组操作等基本的程序语言因素。这满足了上面第一个条件。另外的，为了满足第二个条件，我准备了一个多达2G的文本文件，总共有文本1500万行多。这保怔了足够的运行时间（但应该不会太长），而决不会一眨眼就执行完了。最后的，我们都知道，在文本串里面搜索子串的算法是数据结构课本中的一个典型的例子（考试也经常被考到的），也满足算法简单的要求。同时，为了让每个程序的环境都一样，我得每测试一次就重新启动一次机器，避免CACHE的影响。
准备
比赛嘛，就需要公平。首先的，硬件平台要统一。我找了一台看起来还不错的机器(服务器)：两颗PIII800，1G内存。操作系统嘛，原来的机器上有新装的Windows2000Server版本。几乎没装什么别的应用。我偷懒了一下，没有重新安装OS，就这样用吧。
第一个选手：PERL
如果别人交给我这个题目，我会马上决定用PERL语言来做这件事。这个题目是完全的文本处理问题，还有比用PERL来做更合适的吗？因为PERL是专门为了文本处理而编制的语言。事实上也是这样，我用了2分钟，写了几行代码，就轻松实现了这个问题。这也说明了，选择适用的编程语言工具，比选择喜爱的工具更重要。
#!/usr/bin/perl
$filename="d:\access.log_";
$count = 0;
open(FILE , "<$filename");
while(<FILE>)
{
@match_list = ($_ =~ /HIT/g);
$count=$count+@match_list;
}
close(FILE);
print "Count = $count ";
exit
PERL是一位语言学家Larry Wall发明的，事实上，早期这种语言是专门用于在UNIX平台处理文字文件的(Perl=Practical Extraction Report Language:实用报表析取语言)。后来人们发现有大量文本构成的HTML页面用PERL来做CGI程序生成动态页面再合适不过了。因为互联网的兴起，PERL跟着发大了起来。这种语言的语法和C语言基本类似，因此比较好掌握，并且的，其关于"正则表达式"处理的强大功能目前基本上无人能够望其项背。事实上，类似于"过滤出含有TOM或者ABC的、并且后者的第一个和第三个字母大写，前者最少出现2次，后者出现5次、而且中间间隔8个或4个字母或空格的文本行"。我猜你正在反复的揣摩这句话，事实上，这就是所谓正则表达式，这样的问题，在PERL只需要一行语句就可以完成。在C语言中需要多少语句才能实现呢。
我略略解释一下上面的程序，让没有用过PERL语言的程序员也有个感性认识。
第一行是在UNIX中才用得到，因为PERL是一种基于解释的脚本语言。
第四行是打开文件
下面的循环是一行一行的读文件的内容。循环中间的第一句话是把凡是文本行中含有的HIT全部放到一个数组中；循环中中的第二句话是统计一下刚才的数组中有几个HIT，然后累加起来。循环完成了，我们的任务也就完成了。怎么样，很简单吧？"/HIT/g"就是最简单的正则表达式。
现在的PERL语言早已经不是原来的脚本语言形象了，现代PERL几乎具备了其特语言的所有特性，并且的在模块的功能帮助下，可以实现很大的应用。而且还增加了一些面向对象的特点。尽管大多数人仍然在用它处理大量的文本，但也有使用PERL完成大型应用的，尤其是在WEB方面。值得一提的是PERL也是一个跨平台语言。
我的这个程序在测试平台上，使用PERL5.8解释器，用了8分18秒08完成了1500万行文本的扫描，并得出了正确的结果。
第二个选手：纯C
也许年龄大了，但是我真的很喜欢C语言。而且我最喜欢的就是使用指针和强制类型转换来任意操作数据。我甚至会在程序里通过指针手工拼凑一个长整性的数据。说句可能引起争议的话，我觉得JAVA语言抛弃可爱的指针的做法基本上就是逃避。因为掌握不好就不用，到头来就是牺牲了效率。
本文这个题目，用C语言来实现应该还是比较不错的选择。下面的代码就是在VC下面实现的纯C代码的字符串搜索程序（为了避免图形界面的干扰，一律做成控制台程序）。编译的时候使用速度优先编译选项。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
void main()
{
int len=2048;
char filename[20];//文件名
char buff[10000];//文件缓冲区
char hit[5];
FILE *fd;
int i,j,flag=0,over=0;
int max,readed;
int count=0;//最后的结果
strcpy(&filename[0] , "d:\access.log_");
strcpy(&hit[0] , "HIT");
buff[0]=0×0;
buff[1]=0×0;
//打开文件：
if((fd = fopen(&filename[0] , "rb"))==NULL)
{
printf("Error : Can not open file %s ",&filename[0]);
}
//读取文件内容
while(over != 1)
{
readed = fread(&buff[2] , 1 , len , fd);
if(readed < len)
{
over=1;
max=readed;
}
else
{
max=len;
}
for(i=0;i<max;i++)
{
for(j=0;j<3;j++)
{
if(hit[j] != buff[i+j])
{
flag=0;//一旦有一个不相同就退出并且标志为0
break;
}
else
{
flag=1;//一个相同为1，如果连续都相同最后结果定是1
}
}
if(flag==1)
{
count++;
i+=j-1;
}
else
{
if(j==0)
{
i+=(j);
}
else
{
i+=(j-1);
}
}
}
//把最后两个字符转移到前面两个字节以防止切断搜索串.
buff[0]=buff[max];
buff[1]=buff[max+1];
}
fclose(fd);
printf("count:%d ",count);
}
程序很好懂，用的也是教科书上面的标准字符串搜索算法，但是比前面的PERL程序长多了吧？那是因为人家PERL已经帮你完成了大部分工作。但是看到上面这段程序的运行结果你可能会高兴起来，它最快一次只用了2分10秒52，最慢也只用了2分20秒59就完成了1500万行文本的搜索任务。平均2分15秒多。为什么每次时间不一样呢？我不清楚具体原因，但学过操作系统的朋友会明白，只有在单道单任务的系统中，代码才能有执行上的可再现性。
有经验的朋友可能会说，你的缓冲区只用了2048字节，加大它速度还会增加呢。是的，而且我相信还有高手能作出更快的程序来，但这不重要，重要的是我们要考察的是不同语言完成同一件工作的效率。而且你能够明白，在程序中，改进什么能够提高效率，这就足够了。因为C语言程序中，这些都是自由可控的。
第三个选手：C++
C++和前面的C是亲戚。我简单的把前面的C代码移植过来，然后把文件输入部分改成了流类对象。至于算法部分嘛。跟前面的C是一模一样的。最后在编译的时候，除了使用速度最佳编译选项外，当然还用了C++的编译参数，因此执行文件的长度比前面的C要长一些，这说明我加的流类代码比标准C库要复杂。是的，C++应该说是目前流行的计算机编程语言中复杂度排名靠前的。其复杂的类和继承关系，以及各种初始化的次序和构造函数执行顺序等都需要考虑。还有多态以及动态联编技术等。C++也是我非常喜欢的语言，提供了面向对象的代码重用特性和足够的安全型，但是在效率上的确比纯C略逊一筹。你知道吗，大部分的操作系统核心几乎都是用纯C写成的，尽管很复杂，但很少有使用面向对象技术的。为什么，不是面向对象技术不好，也不是操作系统核心不够复杂（那什么复杂？），主要的考虑就是效率问题。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <fstream.h>
void main()
{
int len=2048;
char filename[20];//文件名
char buff[10000];//文件缓冲区
char hit[5];
int i,j,flag=0;
int max;
int count=0;//最后的结果
strcpy(&filename[0] , "d:\access.log_");
strcpy(&hit[0] , "HIT");
buff[0]=0×0;
buff[1]=0×0;
//用输入流打开文件：
ifstream input(&filename[0]);
//读取文件内容
while(input)
{
input.getline(&buff[2] , len);
max = strlen(&buff[2]);
for(i=0;i<max;i++)
{
for(j=0;j<3;j++)
{
if(hit[j] != buff[i+j])
{
flag=0;//一旦有一个不相同就退出并且标志为0
break;
}
else
{
flag=1;//一个相同为1，如果连续都相同最后结果定是1
}
}
if(flag==1)
{
count++;
i+=j-1;
}
else
{
if(j==0)
{
i+=(j);
}
else
{
i+=(j-1);
}
}
}
}
printf("count:%d ",count);
}
这段C++程序在测试平台上用了最快4分25秒95 到最慢5分40秒68的时间完成1500万行的文本检索，并在2G的文件中检索出10951968个"HIT"字符串。这结果是正确的。
第四个选手：汇编
本以为汇编程序能够达到前所未有的高速，把前面的选手远远抛在身后而笑傲江湖。这一想法支撑我完成了艰涩的代码。可事实上测试的结果缺让我大失所望，完全用机器指令书写的程序，去掉缓冲区才几百字节，算法和前面的C程序一模一样，扫描1500万行文本竟然最快也要2分14秒56！这甚至还比不过C语言的最快纪录。而平均下来，汇编程序的速度竟然和前面的C程序在伯仲之间。恐怕这样的结果也出乎大部分人的意外。因为我们从入行的那一天起，就被告知汇编是你所能够掌握的最快的语言！尽管代码坚涩难懂，但性能的代价是值得的。而从这里的测试看，你觉得向下面这样的代码，实现和C语言一样的速度和功能值得吗？
;堆栈段
STSG SEGMENT STACK ‘S’
DW 64 DUP(?)
STSG ENDS
;数据段
DATA SEGMENT
rlength EQU 2048
fname DB ‘access.log_’,0
hit DB ‘HIT$’
fd DW ? ;文件句柄
resault DB ‘count : $’ ;结果提示
count DD 0 ;存放结果
disflag DB 0 ;显示标志
buff DB 5000 dup(0) ;缓冲区
DATA ENDS
;代码段
CODE SEGMENT
MAIN PROC FAR
ASSUME CS:CODE,DS:DATA,SS:STSG,ES:NOTHING
MOV AX,DATA
MOV DS,AX
;我的代码开始:
mov ah,3dh ;打开文件
lea dx,fname
mov al,00h ;文件打开方式
int 21h ;开始操作
;这里就不作错误处理了，偷懒喽！
;CF＝0表示正确，CF=1表示错误，AX是文件句柄或者是错误代码
mov fd,ax ;保存文件句柄
READ: mov ah,3fh ;读文件
mov bx,fd ;文件句柄
mov cx,rlength ;要读length字节
lea dx,buff ;给出读缓冲区指针
add dx,2 ;缓冲区指针向后错两个（目的是解决边界问题：有一个HIT正好横跨rlength界限）
int 21h ;开始读
;AX里面是实际读出的字节数
;读完了以后，扫描缓冲区
push ax ;保存AX字节数
cmp ax,0
jz ALLEND ;文件读完了就退出
sub dx,2 ;指针向前错2个，
mov si,dx
add dx,2 ;把指针回到原来的位置
add dx,ax ;计算结尾
LOD3: cmp si,dx ;到头了就重新读一次文件
jz OVR
lods buff
lea bx,HIT
cmp al,[bx]
jnz LOD3 ;读第一个字节不相等就重新读一个
cmp si,dx
jz OVR
lods buff
cmp al,[bx+1]
jnz LOD3 ;如果第一个字节相等，就读第2个字节，不行等就从第一个字节再重比较。
cmp si,dx ;如果第二个字节也相等的话，就比较第三个字节。
jz OVR
lods buff
cmp al,[bx+2]
jnz LOD3 ;第三个字节不相等再从头开始
;有一个HIT匹配
push bx
lea bx,count
add WORD ptr [bx],1 ;计数器增加一个
adc WORD ptr [bx+2],0 ;进位
pop bx
jmp LOD3
OVR: mov ah,[si-1]
mov BYTE ptr buff+1 , ah
mov ah,[si-2]
mov BYTE ptr buff , ah
pop ax ;恢复这次总共读出的字节数
cmp ax,rlength ;看看是不是最后一次（剩余的零头）
jz READ
;如果是最后一次读文件，
ALLEND: mov ah,3eh ;关闭文件
mov bx,fd ;文件句柄
int 21h ;关闭文件
mov ah,9 ;显示结果字符串
lea dx,resault
int 21h
;转换2进制结果到10进制ACSII形式
mov bx, WORD ptr count
call TERN
mov ax,4c00h ;返回DOS
int 21h
;结束代码,最大的数字已经排到了最前面
MAIN ENDP
TERN PROC ;这个子程序是转换并显示2进制数字的
mov cx,10000
call DEC_DIV
mov cx,1000
call DEC_DIV
mov cx,100
call DEC_DIV
mov cx,10
call DEC_DIV
mov cx,1
call DEC_DIV
ret
TERN ENDP
DEC_DIV PROC
mov ax,bx
mov dx,0
div cx
mov bx,dx
mov dl,al
add dl,30H
mov ah,disflag ;read flag
cmp ah,0
jnz DISP ;已经显示过有效数字了
cmp dl,30H
jz NODISP
mov disflag,1 ;作用是第一个有效数字出现前不显示0
DISP: mov ah,2
int 21H
NODISP: ret
DEC_DIV ENDP
CODE ENDS
END MAIN
上面这段代码我猜你也懒得仔细阅读。其实他不能"显示结果"。因为最后这段负责把最终结果转换成可显示ASCII码的程序实际上只能转换二进制十六位的数据，而最终的结果高达1000万挂零，显示会出错。由于这最终结果的显示已经和程序的运行没有大关系了，因此，我也就懒得去写一个32位的ASCII转换程序了。就这样吧。
第五个选手：JAVA
JAVA是一个不能不参加比赛的选手。有如此多的人热爱他，他们中的一半人是因为JAVA的面向对象特性以及良好的跨平台特性。而另一半人纯粹就是因为JAVA不姓"微（软）"，这就是意识形态在程序员头脑中对某种语言的注释。单纯从语言元素上来说，我还是比较喜欢JAVA的。因为他的语法干净、简洁。环境也好。虽然用虚拟机系统（JVM）的做法来实现跨平台特性并非什么了不得的创意（像不像30年前的BASIC解释器？别跟我说什么中间代码？几乎所有的解释器都是把语言因素翻译成中间代码的，JVM不过是分成2步来实现罢了，但从运行机制上应该是差不多的。），但JVM仍然将JAVA的跨平台特性做到了前所未有的地步。而且JVM是一个很干净的系统，让人用起来赏心悦目。说到这里我忍不住想提一下J2EE企业应用框架了。不知道有多少人能够看懂SUN出的J2EE的"理论著作"？满纸充斥着各种生造的概念，洋溢着溢美之词。JAVA的企业应用框架实在是比较复杂的东西，虽然赶不上后来的.NET框架，但足以让大多数初学者望而却步。一句话，东西太多了。事实上JAVA的企业级应用并没有想象的成功，iPlanet就随着电子商务概念的全面垮台而渐渐淡出。现在换了个名叫“SUNONE”――SUN公司员工原话。
我们回到JAVA的语言元素上来说，实际上JAVA可以被理解为被纯化的C++。JAVA去除了C++为了兼容C而增加的一些"非面向对象特质"，用其他的一些变通办法实现C++直接实现的功能，比如：多继承。在实现机制上，JAVA的程序会先编译成.CLASS文件，然后这种跨平台的中间代码就可以"一次编译，到处运行"了。当然必须运行在有JVM虚拟机的环境中，连图形什么的都可以照搬。换句话说，你用JAVA程序在PC屏幕上画一个圆，在JAVA－PDA上它还是圆的。
我在本次测试中，写了下面的代码，用JAVA做了同样的测试，测试中实际上用到了：JAVA的文件流类，运行了循环、条件判断、数组操作等基本的语言因素。环境是J2SE1.3.1-06。JAVA程序做1500万行的文本扫描用了8分21秒18。应该说是几种语言中最慢的，基本上和纯解释的PERL是在同一水准。J2EE的JVM环境还是经过优化的所谓HOTSPOT。
import java.io.*;
public class langtest
{
public static void main(String[] args)
{
String filename = "d:\access.log_";
try
{
count(filename);
}
catch (IOException e)
{
System.err.println(e.getMessage());
};
}
public static void count(String filename) throws IOException
{
long count=0;
long len;
String strline = "";
char hit[] = {‘H’,'I’,'T’};//要搜索的字符串
char buff[] = new char[2100];
Reader in = new FileReader(filename);//用FileReader类构造产生一个Reader类对象
LineNumberReader line = null;//生成一个空指针
try
{
line = new LineNumberReader(in);//建立LineNumberReader类对象
while((strline = line.readLine()) != null)
{
//到这里已经读出一行了，用下面的代码分析这行有几个HIT
int i=0,j=0,max=0,flag=0;
buff = strline.toCharArray();//转换成字符数组
max = strline.length();
for(i=0;i<max;i++)
{
for(j=0;j<3;j++)
{
if(hit[j] != buff[i+j])
{
flag=0;//一旦有一个不相同就退出并且标志为0
break;
}
else
{
flag=1;//一个相同为1，如果连续都相同最后结果定是1
}
}
if(flag==1)
{
count++;
i+=j-1;
}
else
{
if(j==0)
{
i+=(j);
}
else
{
i+=(j-1);
}
}
}
}
System.out.println("Count : "+count);
}
catch (IOException e)
{
System.err.println(e.getMessage());
}
finally
{
try
{
if(in != null) in.close();
}
catch (IOException e)
{
}
}
}
}
候捷先生翻译的宏篇巨著《JAVA编程思想》一书中第67页说到："使用最原始的JAVA解释器，JAVA大概比C慢上20到50倍"之说法我在阅读的时候就心存疑虑，心想要是这样，JAVA完全没有存或与世间的必要了。在亲自动手试验过后，我觉得说JAVA在J2EE环境下，比C慢上2－3倍还是比较可靠的说法的。况且，目前越来越多的硬件JVM的诞生，也给JAVA越来越多的机会。不过我担心的正是这点，JVM的多厂家多样化很可能会造成某些兼容性方面的问题。例如我见过一篇文章就是讨论某种JAVA程序在IBM－JVM可用而在SUN－JVM上不可用之事例。但愿的，JAVA能健康成长。
总结
事实上，本文有两个基本的意义传递给初做程序员的读者：
一、 抛开你的意识形态好恶，选择最合适的编程语言来完成你的工作。每种流行的语言都有自己存在的意义。
二、 在编程中，有想法就自己做一做，你会得出自己的结论。
至此，你应该明白，前面的所有测试结果其实并不重要，重要的是你了解了这些语言的特质，也许在今后的编程生涯中会因此增加一点点"经验"呢。
后记
本来笔者还打算继续测试一下另外的一种颇为流行的解释语言Python和新贵C＃以及在Linux平台完成这些测试，但终究还是被懒惰瓦解了斗志。好在的，Python和Perl比较相似，而C#和JAVA有异曲同工之妙。也可以略略做一点参考。
事实上，本文测试中有一个大大的不公平之处，相信仔细的读者已经发现了：其中C和ASM都是使用缓冲区直读的办法，不管三七二十一就进行判断（最后用指针检查缓冲区边界）。而C++等其他的语言虽然用了非常方便的流按行读出，但是多做了很多事情：每一个字符都要判断其是不是回车换行符，而按行读近来，每次缓冲的也要少很多。因此其他几种语言就大大的吃亏了。不过这并不影响结论性的东西，因为测试本身就说明越方便就效率越低。事情总是要有人做，不是吗？
