编译为字节码，Java与Python造成时间差异的原因是什么？

问题描述

Java和python（仅涉及CPython）都分别解释为Java和CPython字节码。然后，两个字节码由它们各自的虚拟机（JVM和Cpython VM）解释。 （这里我忽略了在运行10K后启动的JIT编译部分。）

我对此有2个问题：

1. 为什么将Java编译为Java字节码要比python花费那么多时间？在Java中，编译是显式步骤，而在python中，编译是在运行时进行。
2. 为什么在第一次运行和第n次运行python之间没有显着差异，但是在第一次运行中完成了对CPython字节码的编译并将其缓存在.pyc文件中，该文件在所有后续运行中都使用。这个字节码编译真的是Python中几乎零成本的工作吗？

尽管它在运行时中起着重要的作用，但我想静态和动态类型在编译过程中不应起太大作用，也不应该是造成这种时间差异的唯一原因。另外，我认为在这两种实现中，字节码生成过程中都会进行一些优化。

我这里缺少什么吗？ （我没有使用Java的丰富经验。）

更新：

我实际上在第一次运行和以后运行时对python进行了时间分析，发现语句2是错误的。运行大型python文件时，有一个非常明显的区别。

方法很简单。用重复的行创建一个大文件

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，编译为字节码也是一个昂贵的过程，只是它不像在Java中那样昂贵。

解决方法

Java字节码编译器必须比Python字节码编译器执行更多检查。为了说明这一点，请从“ hello world”程序中提取以下内容：

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

要编译这一行代码，编译器必须查找其所有部分的含义。这比听起来要复杂得多：System可能是一个包。或者它可以是一个类，可以在与代码位于同一包中，也可以在一个导入的包中，或者位于java.lang中。因此，编译器必须按该顺序检查所有这些选项。找到System类后，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out是什么：它是嵌套类还是类成员，其访问修饰符是什么？编译器发现它是PrintStream类型的静态成员变量。然后，它必须对println做相同的检查。直到知道所有这些，编译器才能发出任何代码，因为生成的字节码根据所涉及对象的类型而有所不同。

所有这些检查都需要时间，最重要的是因为即使对于最琐碎的程序，编译器也必须从标准库中加载大量的类定义。

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

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

Python编译器不在乎其中某些查找是否在运行时失败。

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，而许多CPython实现是提前编译的C代码。与Python相比，这意味着Java有点“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。运行一个琐碎的“ hello world”程序，即使对于一个琐碎的程序，也可以通过提前将Java编译为字节代码来节省多少钱：

• 以time python hello.py为单位，python程序的运行时间为45-50毫秒。
• Java程序无需提前编译为字节码，运行时间为350-400毫秒（用time java Hello.java测量）
• 编译为字节码后的Java程序运行时间为70-80毫秒（以time java Hello测量）

免责声明：未遵循任何科学方法或未进行统计分析，因此请谨慎对待。测试环境：Fedora 32上的Python版本3.8.5，Java版本11.0.8，Intel i7 8750H CPU

hello.py：

print("hello world")

Hello.java：

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello world");
    }
}