为什么对这个Scala代码的微小更改会对性能产生如此巨大的影响？

Question

我在一台32位的Debian 6.0 (Squeeze)系统上运行（一个2.5GHz的Core 2 CPU），安装了 sun-java6 6.24-1，但使用来自 Wheezy 的 Scala 2.8.1 软件包。

这段代码使用 scalac -optimise 编译后，运行需要超过30秒：

object Performance {

  import scala.annotation.tailrec

  @tailrec def gcd(x:Int,y:Int):Int = {
    if (x == 0)
      y 
    else 
      gcd(y%x,x)
  }

  val p = 1009
  val q = 3643
  val t = (p-1)*(q-1)

  val es = (2 until t).filter(gcd(_,t) == 1)
  def main(args:Array[String]) {
    println(es.length)
  }
}

但是，如果我对代码进行微小的更改，将val es=移动到main的范围内并向下移动一行，则可以在仅需1秒的时间内运行，这与等效的C ++的性能相当。有趣的是，将val es=保留在原处，但使用lazy进行限定也具有同样的加速效果。

这里发生了什么？为什么在函数范围外执行计算会慢得多？

- timday

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我在2.8.1版本中看到了同样的问题（Sun Java 1.6.0_24-b07），没有使用“-optimize”。 - overthink

提到优化有点误导，抱歉；我从来没有看到使用它（或不使用）对我所处理的任何Scala代码的性能产生任何显着影响。 - timday

有趣的是...在一个类似的系统上，使用Scala 2.9.0时，无论是否使用-optimize，都会发生相同的事情。 - Kim Stebel

Answer 1

JVM 对静态初始化器（也就是这里的内容）做的优化没有对方法调用做的那么高效。不幸的是，当你在那里做很多工作时，这会影响性能，这正是一个完美的例子。这也是为什么旧的 Application 特质被认为有问题的原因之一，也是为什么 Scala 2.9 中有一个 DelayedInit 特质，它可以得到编译器的一些帮助，将一些初始化器中的内容移动到稍后调用的方法中。

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（编辑：已将“构造函数”更正为“初始化器”。这是一个相当长的笔误！）

- Rex Kerr

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这是Scala特有的还是普遍适用的？因为我不明白为什么JIT不会优化普通Java代码中的长静态初始化器（或者更准确地说，为什么它会区分静态代码块和普通代码块）。 - Voo

@Voo，这通常是正确的，甚至影响Java静态代码。看起来这是JVM的设计；一个可能的假设是：由于静态初始化程序只运行一次，JVM作者不想花费太多时间优化它们的用例。 - notnoop

@timday - 在每个昂贵的计算中都添加“lazy”后，过一段时间会变得乏味。有一个机制可以一次性完成所有操作是很好的。 - Rex Kerr

@notnoop 我不明白为什么。当然，静态初始化程序没有被优化 - 就像只被调用一次的任何主方法一样不会被优化。但是，如果我们内部有一些复杂的计算，为什么不按照通常的规则进行JIT编译呢？ - Voo

@notnoop。另一方面，静态初始化程序实际上只能运行一次（每个ClassLoader），并且具有非平凡的语义：请参阅JLS 12.4.2。 JVM设计者基本上决定这不值得努力。 另外，另一个需要大量优化才能使代码更快的主要方法。 此外，main方法就像任何其他静态方法一样，实际上可以运行多次（您实际上可以自己调用主方法..令人震惊！）。 - notnoop

Answer 2

在顶层对象块内部的代码将被转换为该对象类上的静态初始化程序。在Java中的等效操作是

class Performance{
    static{
      //expensive calculation
    }
    public static void main(String[] args){
      //use result of expensive calculation
    }
}

HotSpot JVM在静态初始化期间遇到的代码不会执行任何优化，这是出于合理的启发式原则，因为这样的代码只会运行一次。

- Dave Griffith

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是的，这很有趣。我以一个上次在90年代中期接触Java的人的视角来看待它，但Scala作为比Java更具吸引力的语言（至少对我而言）吸引了我回到JVM。因此，当像这样的底层技术的现实意外地被揭示时，我确实会感到惊讶。 - timday

特别是在不可变性方面，我怀疑在类的初始化阶段进行大量计算是一种常见的模式。 - ziggystar

这特别影响“静态”初始化器。 - Rex Kerr

由于它仅影响静态初始化程序，因此它仅影响Scala单例对象，而不是类对象。 - Dave Griffith