为什么 Rust 中的对数运算比 Java 慢？

Question

如果我在Rust中运行这些基准测试：

#[bench]
fn bench_rnd(b: &mut Bencher) {
    let mut rng = rand::weak_rng();
    b.iter(|| rng.gen_range::<f64>(2.0, 100.0));
}

#[bench]
fn bench_ln(b: &mut Bencher) {
    let mut rng = rand::weak_rng();
    b.iter(|| rng.gen_range::<f64>(2.0, 100.0).ln());
}

结果为：

test tests::bench_ln             ... bench:        121 ns/iter (+/- 2)
test tests::bench_rnd            ... bench:          6 ns/iter (+/- 0)

每次ln调用需要115纳秒。

但是在Java中，相同的基准测试：

@State(Scope.Benchmark)
public static class Rnd {
    final double x = ThreadLocalRandom.current().nextDouble(2, 100);
}

@Benchmark
public double testLog(Rnd rnd) {
    return Math.log(rnd.x);
}

给我：

Benchmark    Mode Cnt  Score  Error Units
Main.testLog avgt  20 31,555 ± 0,234 ns/op

相较于Java，Rust的日志速度慢了大约3.7倍（115/31）。

当我测试勾股定理的实现（hypot）时，Rust的实现比Java快15.8倍。

我写的基准测试有问题还是存在性能问题？

针对评论中提出的问题的回答：

1. 在我的国家，“，”是小数分隔符。

2. 我使用 cargo bench 运行Rust基准测试，它始终在发布模式下运行。

3. Java基准测试框架（JMH）为每个调用创建一个新对象，即使它是静态类和final变量。如果我在测试的方法中添加一个随机创建，那么我得到43 ns/op。

- Александр Меньшиков

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Java不是作为基准基础使用的糟糕语言吗？我的意思是，Java很好，但在某些情况下，它太过完美了。 - Wietlol

你可能更多地在对比随机数生成器而非对数函数的性能。另外，我相信 Rust 只是使用系统的数学库，所以单纯调用 log 应该与 C 中的一致（Java 就不清楚了）。 - Simon Byrne

请ن½؟用RUSTFLAGS='-Ctarget-cpu=native' cargo benché‡چو–°è؟گè،Œوµ‹è¯•م€‚ - kennytm

如果 OP 不小心在对随机数生成器进行基准测试，那么 bench_rnd 函数是否会抵消这一点呢？因为该函数仅测试 RNG。这就是为什么 OP 要减去两个 Rust 基准测试时间的原因——以使 ln 函数的基准测试更加纯粹。我同意它应该只调用系统数学库。 - Shepmaster

我对Java一无所知，但你确定x已经更新了吗？ - Stargateur

Answer 1

这个答案是由@kennytm提供的:

export RUSTFLAGS='-Ctarget-cpu=native'

问题已得到解决。之后的结果为：

test tests::bench_ln              ... bench:          43 ns/iter (+/- 3)
test tests::bench_rnd             ... bench:           5 ns/iter (+/- 0)

我认为38（±3）已经足够接近于31.555（±0.234）。

- Александр Меньшиков

Answer 2

由于我不了解 Rust，因此我将提供解释的另一半。 Math.log 带有 @HotSpotIntrinsicCandidate 注释，这意味着它将被本地 CPU 指令替换以执行这样的操作：可以考虑 Integer.bitCount ，它要么进行大量移位，要么使用直接的 CPU 指令来更快地执行。

像这样非常简单的程序：

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(mathLn(20_000));
}

private static long mathLn(int x) {
    long result = 0L;
    for (int i = 0; i < x; ++i) {
        result = result + ln(i);
    }
    return result;
}

private static final long ln(int x) {
    return (long) Math.log(x);
}

并使用以下命令运行：

 java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions  
      -XX:+PrintInlining 
      -XX:+PrintIntrinsics 
      -XX:CICompilerCount=2 
      -XX:+PrintCompilation  
      package/Classname 

它将生成许多行，但其中之一是：

 @ 2   java.lang.Math::log (5 bytes)   intrinsic

让代码运行极快。

但是我不太清楚在Rust中发生的时间和方式...

- Eugene

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由于Rust是静态（或者说预先）编译的，因此它必须知道一个要编译到的平台。默认情况下，它会比较保守（例如32位的x86代码可能会针对686处理器进行目标编译）。使用“-Ctarget-cpu=native”标志告诉编译器以编译器正在运行的机器为目标平台；这使得编译器可以使用完整的可用指令集（例如您的popcnt示例）。 - Shepmaster