编译为字节码，Java 与 Python。所用时间不同的原因是什么？

Question

Java 和 python（仅讨论 CPython）分别被解释为 Java 和 CPython 字节码。然后，这两个字节码都由它们各自的虚拟机（JVM 和 Cpython VM）解释。（这里我忽略了在 10K 运行后开始的 JIT 编译部分。）

我对此有两个问题：

1. 与 python 相比，为什么 Java 编译为 Java 字节码需要这么多时间？在 java 中，编译是一个明确的步骤，而在 python 中它发生在运行时。
2. 为什么在第一次运行中编译到 CPython 字节码并缓存在所有连续运行中使用的 .pyc 文件中时，python 的第一次运行和第 n 次运行之间没有明显区别。这个字节码编译真的是python中几乎零成本的任务吗？

虽然它在运行时扮演着重要的角色，但我认为静态和动态类型在编译过程中不应该扮演太大的角色，也不应该是造成这种时间差异的唯一原因。另外，我认为在这两个实现中，在字节码生成期间进行了一些优化。

有什么我在这里想念的吗？（我没有太多的 Java 工作经验。）

更新：

我实际上对 python 第一次运行和后来的运行做了时间分析，发现语句 2 是错误的。运行大型python文件时有非常明显的区别。

方法很简单。创建了一个包含重复行的大文件

a = 5
b = 6
c = a*b
print(str(c))

然后将其导入文件large.py并运行time python large.py

首次运行结果：

python large.py  1.49s user 0.33s system 97% cpu 1.868 total

第二次运行结果：

python large.py  0.20s user 0.08s system 90% cpu 0.312 total

删除 __pycache__ 文件夹后：

python large.py  1.57s user 0.34s system 97% cpu 1.959 total

所以基本上在 python 中，编译为字节码是一个昂贵的过程，只是它不像在 java 中那么昂贵。

Answer 1

Java 字节码编译器必须比 Python 字节码编译器做更多的检查。为了说明这一点，请从“hello world”程序中取出这一行：

System.out.println("Hello World!");

要编译这行代码，编译器必须找出其所有部分的含义。这比听起来更复杂：System可能是一个包。或者它可以是一个类，或者在代码所在的同一个包中，或者在一个导入的包中，或者在java.lang. 所以编译器必须按顺序检查所有这些选项。一旦找到System该类，它就必须检查其访问修饰符是否允许这种使用。

之后，编译器必须弄清楚什么out是：它是嵌套类还是类成员，以及它的访问修饰符是什么？编译器发现它是类型的静态成员变量PrintStream。然后它必须对println. 编译器在知道所有这些之前不能为这行代码发出任何代码，因为生成的字节码根据所涉及对象的类型而不同。

所有这些检查都需要时间，最重要的是，即使对于最简单的程序，编译器也必须从标准库中加载大量类定义。

相比之下，Python 字节码编译器只需要解析行，就可以立即生成代码，无需查看额外的模块。在 Python 中，代码将被编译为：

• 从当前范围（LOAD_NAME）中查找“系统”对象
• 从系统（LOAD_ATTR）中查找“out”属性
• 从“out”中查找“println”（LOAD_METHOD）
• 生成代码来调用它（CALL_METHOD）

Python 编译器并不关心这些查找中的一些是否在运行时失败。

另一个重要的区别是 Java 编译器完全用 Java 编写，并在运行时编译为机器代码，而大部分 CPython 实现是提前编译的 C 代码。这意味着与 Python 相比，Java 存在一些“冷启动”问题。

更新：从 Java 9 开始，您可以直接从源代码运行 Java 程序，而无需将其编译为字节码。运行一个简单的“hello world”程序可以让您了解通过提前将 Java 编译为字节码可以节省多少，即使对于一个简单的程序也是如此：

• python 程序运行时间为 45-50 毫秒，用time python hello.py.
• 未提前编译为字节码的 Java 程序运行时间为 350-400 毫秒，用time java Hello.java
• 编译成字节码后的Java程序运行时间为70-80毫秒，用 time java Hello

免责声明：没有遵循科学方法或进行统计分析，所以对此持保留态度。测试环境：Python 3.8.5，Java 11.0.8，Fedora 32，Intel i7 8750H CPU

你好.py：

System.out.println("Hello World!");

你好.java：

print("hello world")