C++/C#/F#/Java/JS/Lua/Python/Ruby渲染速度比试

之前常听说C#和Java与C++的速度接近，更有甚者说很多情况下他们都比C++快，而且举出一大堆的范例(多是些IO操作，测量误差超级大，因此很难令人信服)，于是听到很多人出来圆场，说对于语言内建类型(整形、浮点型等)，编译成二进制应该相差不大，这似乎有些道理，但我仍然有些怀疑。

还曾经听不少人鼓吹过脚本，说脚本程序比C++程序慢不了多少，有人甚至给10%，对此我不加评论了，看看这里的测试结果就一目了然。

下面有个浮点密集型的计算程序，没有使用blitz++和MTL，很符合一般性应用，如果用上他们那就不好说怎么样，因为主要是和Fortran比科学计算速度时才用。已经有人编码测试了。
只讲速度，如果再比内存，其他几种语言就没有必要比下去了。

不同语言版本的代码到原作者提供的地址去下载：http://files.cnblogs.com/miloyip/smallpt20100623.zip
下面是测试用的系统配置：

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

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)。

Test	Time(sec)	Relative time
IC++_OpenMP	2.861	0.19x
VC++_OpenMP	3.140	0.21x
GCC_OpenMP	3.359	0.23x
C++/CLI_OpenMP	5.147	0.35x
IC++	14.761	1.00x
VC++	17.632	1.19x
GCC	19.500	1.32x
C++/CLI	27.634	1.87x
Java	30.527	2.07x
C#_outref	44.220	3.00x
F#	47.172	3.20x
C#	48.194	3.26x
JsChrome	237.880	16.12x
LuaJIT	829.777	56.21x
Lua	1,227.656	83.17x
IronPython	2,921.573	197.93x
JsFirefox	3,588.778	243.13x
Python	3,920.556	265.60x
Jython	6,211.550	420.81x
Ruby	77,859.653	5,274.69x

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)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。

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.

C++/C#/F#/Java/JS/Lua/Python/Ruby渲染速度比试