C++/C#/F#/Java/JS/Lua/Python/Ruby渲染比试
512x512像素，每像素10000个采样，Intel C++ OpenMP版本渲染时间为18分36秒。估计Ruby版本約需351天。
前篇博文把一个C++全局光照渲染器移植至C#，比较C++和C#之性能。刊出后，园友们不吝指出箇中问题，例如嗷嗷发现C++实现里的随机产生器采用了比较复杂的运行时函数，造成Visual C++和Intel C++的巨大差异；赵姐夫发现C#版本用class竟然比struct快等等。修改这些问题后，园友QiaoJie亦提出，可同时测试C++/CLI，检测其所产生的IL代码，在同样的.Net平台上运行，看看是否比C#优胜。很多网友也提供了宝贵意见，未能尽录，唯有以努力撰文作为答谢。本人陆续移植了C++代码至Java、JavaScript、Lua、Python和Ruby，赵姐夫亦尝试了F#。本文提供测试源代码、测试结果、简单分析、以及个人体会。
声明
首先，为免误会，再次重申，本测试有其局限，只能测试某一应用、某一实现的结果，并不能反映编程语言及其运行时的综合性能，亦无意尝试这样做。而实验环境也只限于某机器、某操作系统上，并不全面。而且，本测试只提供运行时间的结果，不考虑、不比较语言/平台间的技术性和非技术性优缺点，也没有测试运行期内存。世界上的软件应用林林总总，性能需求也完全不同，本测试只供参考。
由于本人第一次使用Python和Ruby，若代码有不当之处，敬请告之。当然也非常乐见其他意见。
测试内容
本文测试程序为一个全局光照渲染器，是一个CPU运算密集的控制台应用程序(console application)，功能详见前文。在前文刊出后，本人进行了一点profiling、优化，并把代码重新格式化。本渲染器除了有大量数学运算，亦会产生大量临时对象，并进行极多的方法调用(非虚函数)。本测试有别于人工合成的测试(synthetic tests，例如个别测试运算、字串操作、输入输出等)，是一个有实际用途的程序。
移植时尽量维持原代码的逻辑，主要采用面向对象范式。优化方面，不进行人手内联函数(inline function)，但优化了一些不必要的重复运算。
测试配置
- 硬件: Intel Core i7 [email protected](4 core, HyperThread), 12GB RAM
- 操作系统: Microsoft Windows 7 64-bit
| 测试名称 | 编译器/解译器 | 编译/运行选项 |
| VC++ | Visual C++ 2008 (32-bit) | /Ox /Ob2 /Oi /Ot /GL /FD /MD /GS- /Gy /arch:SSE /fp:fast |
| VC++_OpenMP | Visual C++ 2008 (32-bit) | /Ox /Ob2 /Oi /Ot /GL /FD /MD /GS- /Gy /arch:SSE /fp:fast /openmp |
| IC++ | Intel C++ Compiler (32-bit) | /Ox /Og /Ob2 /Oi /Ot /Qipo /GA /MD /GS- /Gy /arch:SSE2 /fp:fast /Zi /QxHost |
| IC++_OpenMP | Intel C++ Compiler (32-bit) | /Ox /Og /Ob2 /Oi /Ot /Qipo /GA /MD /GS- /Gy /arch:SSE2 /fp:fast /Zi /QxHost /Qopenmp |
| GCC | GCC 4.3.4 in Cygwin (32-bit) | -O3 -march=native -ffast-math |
| GCC_OpenMP | GCC 4.3.4 in Cygwin (32-bit) | -O3 -march=native -ffast-math -fopenmp |
| C++/CLI | Visual C++ 2008 (32-bit), .Net Framework 3.5 | /Ox /Ob2 /Oi /Ot /GL /FD /MD /GS- /fp:fast /Zi /clr /TP |
| C++/CLI_OpenMP | Visual C++ 2008 (32-bit), .Net Framework 3.5 | /Ox /Ob2 /Oi /Ot /GL /FD /MD /GS- /fp:fast /Zi /clr /TP /openmp |
| C# | Visual C# 2008 (32-bit), .Net Framework 3.5 | |
| *C#_outref | Visual C# 2008 (32-bit), .Net Framework 3.5 | |
| F# | F# 2.0 (32-bit), .Net Framework 3.5 |
|
| Java | Java SE 1.6.0_17 | -server |
| JsChrome | Chrome 5.0.375.86 | |
| JsFirefox | Firefox 3.6 | |
| LuaJIT | LuaJIT 2.0.0-beta4 (32-bit) | |
| Lua | LuaJIT (32-bit) | -joff |
| Python | Python 3.1.2 (32-bit) | |
| *IronPython | IronPython 2.6 for .Net 4 | |
| *Jython | Jython 2.5.1 | |
| Ruby | Ruby 1.9.1p378 |
* 见本文最后的"7.更新"一节
渲染的解像度为256x256，每象素作100次采样。
结果及分析
下表中预设的相对时间以最快的单线程测试(IC++)作基准，用鼠标按列可改变基准。由于Ruby运行时间太长，只每象素作4次采样，把时间乘上25。另外，因为各测试的渲染时间相差很远，所以用了两个棒形图去显示数据，分别显示时间少于4000秒和少于60秒的测试(Ruby是4000秒以外，不予显示)。
C++/.Net/Java组别
静态语言和动态语言在此测试下的性能不在同一数量级。先比较静态语言。
C++和.Net的测试结果和上一篇博文相若，而C#和F#无显著区别。但是，C++/CLI虽然同样产生IL，于括管的.Net平台上执行，其渲染时间却只是C#/F#的55%左右。为什么呢？使用ildasm去反汇编C++/CLI和C#的可执行文件后，可以发现，程序的热点函数Sphere.Intersect()在两个版本中，C++/CLI版本的代码大小(code size)为201字节， C#则为125字节！ C++/CLI版本在编译时，已把函数内所有Vec类的方法调用全部内联，而C#版本则使用callvirt调用Vec的方法。估计JIT没有把这函数进行内联，做成这个性能差异。另外，C++/CLI版本使用了值类型，并使用指针(代码中为引用)作参数传送。若把C#的版本的Vec方法改写为:
//class Vec
//{
//public static Vec operator +(Vec a, Vec b)
//}
struct Vec
{
void Add(ref Vec a, ref Vec b, out Vec c);
}
那么，struct不用GC，同时ref/out不用复制，其性能会比较高。但是代码会变得很难看:
// 原来用运算符重载(operator overloading): a = b * c + d; // 改用ref/out Vec e; Vec.Mul(ref b, ref, c, out e); Vec.Add(ref e, ref d, out a);
为了维持让语言"正常"的使用方法，本实验不采用这种API风格(更新:加入了C#_outref测试，詳見文末)。
然而，托管代码(C++/CLI)的渲染时间，仅为原生非括管代码(IC++)的1.91倍，个人觉得.Net的JIT已经非常不错。
另一方面，Java的性能表现非常突出，只比C++/CLI稍慢一点，Java版本的渲染时间为C#/F#的65%左右。以前一直认为，C#不少设计会使其性能高于Java，例如C#的方法预设为非虚，Java则预设为虚；又例如C#支持struct作值类型(value type)，Java则只有class引用类型(reference type)，后者必须使用GC。但是，这个测试显示，Java VM应该在JIT中做了大量优化，估计也应用了内联，才能使其性能逼近C++/CLI。
纯C++方面，Intel C++编译器最快，Visual C++慢一点点(1.19x)，GCC再慢一点点(1.32x)。这结果符合本人预期。 Intel C++的OpenMP版本和单线程比较，达5.16加速比(speedup)，对于4核Hyper Threading来说算是不错的结果。读者若有兴趣，也可以自行测试C# 4.0的并行新特性。
动态语言组别
首先，要说一句，Google太强了，难以想像JsChome的渲染时间仅是IC++的16.12倍，C#的4.94倍。我有信心用JavaScript继续写图形、物理方面的博文了。
以下比较各动态语言的相对时间，以JsChrome为基准。 Chrome的V8 JavaScript引擎(1.00x)大幅抛离Firefox的SpiderMonkey引擎(15.09x)。而LuaJIT(3.49x)和Lua(5.16x)则排第二和第三名。 Lua的JIT版本是没有JIT的68%，并没有想像中的快，但是也比Python(16.48x)快得多。曾听说过Ruby有效能问题，没想到问题竟然如此严重(327.31x)，其渲染时间差不多是Python的20倍。
我认为，本实验中，不同语言的性能差异，并非在于数值运算，而是对象生成及函数调用。我使用Python内建的profiling功能:
python -m profile smallpt.py
从结果发现，Vec类共产生约15亿个实例，Vec的方法调用约17.5亿次，intersect()共调用5.7亿次，产生随机数5.7亿个，radiance()调用(即追踪的路径线段)6.5百万次。这些庞大数字，放大了对象生成和函数调用的常数开销(overhead)。
结语
也许本博文的意义不大(yet-another-unfair-biased-performance-comparison-among-programming-languages)，但对本人而言，此次实验加深了对各种语言性能的了解，或应该是消除了一些误解。简单总括运行性能方面的体验和感想:- C++和VM类静态语言可以大约只差2~4倍，JVM和CLR差异不大。
- C++和动态语言之比，则可以是15~5000倍，不同动态语言的差异很大。
- 一直以为Lua(JIT)会是最快的通用脚本语言，没想到此测试中败给JavaScript(V8)，或许应该多点研究嵌入V8引擎(SWIG能支持就最理想了)。
- 以为Python和Ruby的性能相差不远，但测试结果两者大相径庭。暂时不太了解Ruby的特长，或许之后再研究其优点是否能盖过其性能问题。
最后建议读者，若要为某应用挑选语言，又要顾及性能，那么应该自己做实验去比较。不要盲目相信一些流言或评测(包括本文)。
附录: JavaScript版本测试
警告: 建议使用Chrome。Firefox可能会慢得无法响应。
更新
- 2010/7/7: 新增的C#_outref测试，按noremorse的建议，把Vec和Ray变作struct，所有函数传送这两种对象改为ref/ out。 源代码。
- 2010/7/8: 新增IronPython和Jython。
- 2010/7/8: 园友猫粮撰文《AS3的光线跟踪极限测试》 ，看来AS3性能不太好。
- 2010/7/10: 园友Domslab撰文《对《C++/C#/F#/Java /JS/Lua/Python/Ruby渲染比试》一文的补充——增加Mono测试》，比较了gcc/mono C#/Java在Windows/Linux的性能。
- 2010/7/11: 园友noremorse撰文《Swifter C#之inline还是不inline，这是个问题》，以本例研究.Net Runtime的内联机制。