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问题

网上说 Java 的性能已经达到甚至超过 C++，是真的吗？

回答
网上关于 Java 性能达到甚至超过 C++ 的说法，可以说既有一定的事实依据，但也不能完全一概而论，它是一个需要分情况讨论的复杂问题。 简单来说，在某些特定场景下，经过优化的现代 Java 应用程序确实有可能在性能上媲美甚至超越 C++，但要说“普遍达到或超过”则过于绝对。

让我们详细地分析一下这个问题：

为什么会有“Java 性能赶超 C++”的说法？

这个说法的出现主要源于以下几个方面：

1. JVM 的巨大进步：
JIT (JustInTime) 编译器的成熟： 这是 Java 性能提升的最核心因素。早期的 Java 是纯粹的解释执行，性能较低。但现代 JVM（如 HotSpot）的 JIT 编译器已经非常强大。它会在程序运行时，将热点代码（频繁执行的代码段）编译成本地机器码。这个过程远比单纯的解释执行要快得多。
编译器优化： JIT 编译器支持各种高级优化技术，例如：
内联 (Inlining)： 将小方法体的调用直接替换为方法体的内容，消除函数调用开销。
逃逸分析 (Escape Analysis)： 分析对象的作用域，如果对象不会逃逸出方法，可以将其栈分配，避免垃圾回收开销，甚至允许将其作为本地变量使用。
循环优化： 例如循环展开 (Loop Unrolling)、循环惕除 (Loop Hoisting) 等。
类型检查消除： 在某些情况下，JVM 可以确定对象的实际类型，从而避免动态类型检查。
向量化 (Vectorization)： 利用 SIMD (Single Instruction, Multiple Data) 指令并行处理数据。
垃圾回收 (Garbage Collection, GC) 的优化： 虽然 GC 会带来一定的开销，但现代 GC 算法（如 G1, Shenandoah, ZGC）已经非常高效，可以实现非常低的暂停时间，甚至并发回收，极大地降低了 GC 对应用程序性能的影响。并且在某些情况下，GC 的自动化管理可以比手动内存管理更不容易出错，从而间接提升了“可用”性能。
AOT (AheadOfTime) 编译的引入： 虽然 JIT 是主流，但随着 GraalVM 等项目的出现，Java 也可以进行 AOT 编译，将 Java 代码在发布前就编译成原生代码，从而消除 JIT 的预热时间，实现更快的启动速度和更高的峰值性能。

2. 生态系统的成熟：
丰富的库和框架： Java 生态拥有大量经过高度优化的库（如 Apache Commons, Guava 等）和框架（如 Spring Boot 等）。这些库和框架的开发者通常非常注重性能，其提供的抽象往往在底层进行了大量的性能调优。
并发编程的便利性： Java 提供了强大的并发工具（如 `java.util.concurrent` 包），使得编写多线程和并行程序相对容易。在多核处理器环境下，充分利用并发能力可以显著提升性能。

3. “性能”定义的模糊性：
启动速度 vs. 运行速度： C++ 在启动速度上通常有优势，因为它直接编译成机器码。而 Java 在启动时需要 JVM 加载、类加载、JIT 预热，这会有一个“预热期”。但在应用程序运行一段时间后，JIT 将热点代码编译成高效机器码，其运行速度就可能非常接近甚至超过 C++。
峰值性能 vs. 长期稳定性： 某些 C++ 代码可以通过精细的内存管理和底层硬件访问，达到极致的峰值性能。但如果考虑代码的可维护性、健壮性以及开发效率，Java 的表现可能更具优势。
开发效率 vs. 极致性能： 对于大多数应用场景，开发效率和维护成本是更重要的考量因素。Java 在这方面通常优于 C++。如果为了追求 C++ 那样的极致性能而牺牲了大量的开发时间和维护成本，可能并不划算。

为什么说“赶超”并不绝对？C++ 依然有其优势

尽管 Java 取得了长足的进步，但 C++ 在某些方面仍然具有其独特的优势，甚至在需要极致性能的场景下，它仍然是首选：

1. 直接的硬件访问和内存控制：
无 GC 干扰： C++ 是手动内存管理（`new`/`delete`，智能指针），没有垃圾回收器，也就没有 GC 带来的不可预测的暂停（尽管现代 GC 已大大改善，但完全消除零停顿是非常困难的）。这对于实时系统、游戏引擎、高性能计算等对延迟极其敏感的应用至关重要。
精细的内存布局： C++ 允许开发者直接控制对象的内存布局（例如使用结构体，管理内存对齐），以及使用栈、堆、全局等不同内存区域，这对于缓存效率和数据局部性优化至关重要。Java 的对象模型和自动内存管理在一定程度上限制了这种精细控制。
底层库和操作系统的集成： C++ 可以更直接、高效地与操作系统 API、硬件接口进行交互，例如使用特定的指令集、寄存器等。

2. 零运行时开销：
C++ 代码编译后就是机器码，没有 JVM 这样的中间层，也没有 JIT 编译的预热过程。这意味着 C++ 程序一旦启动就可以立即达到其最佳性能，并且没有运行时环境的额外开销（如 JVM 内存占用、GC 线程占用 CPU 等）。

3. 模板元编程和编译期优化：
C++ 的模板元编程可以在编译时执行大量计算，生成高度优化的代码，实现极致的静态类型安全和性能。虽然 Java 也有泛型，但其能力和性能影响与 C++ 的模板不可同日而语。

4. 广泛的应用领域：
C++ 在系统编程、嵌入式系统、游戏开发、高性能计算、图形图像处理等领域仍然占据主导地位，这些领域对性能的要求往往非常苛刻，是 Java 难以完全企及的。

结论与总结

在“运行速度”上，现代优化过的 Java 应用程序在很多通用场景下，其峰值性能已经非常接近甚至可以媲美 C++。 这得益于 JVM 强大的 JIT 编译器、先进的 GC 技术和丰富的生态系统。
然而，如果“性能”的定义包含启动速度、极致的低延迟、绝对的内存控制、零运行时开销以及与底层硬件的直接交互能力，那么 C++ 在这些方面仍然具有不可替代的优势。
“Java 性能已达甚至超过 C++”的说法，更准确的理解是：在越来越多的常见应用场景中，Java 的性能表现已经足够好，甚至在许多情况下比手动优化的 C++ 代码在可维护性和开发效率之间取得了更好的平衡，从而使得 Java 在这些场景下成为更优的选择。
选择哪种语言取决于具体的应用需求和场景。
如果你需要开发操作系统内核、游戏引擎底层、需要精细控制内存和硬件、对启动速度和低延迟有极致要求，那么 C++ 仍然是更好的选择。
如果你需要开发企业级应用、Web 服务、移动应用（Android）、大数据处理等，并且希望有快速的开发周期、良好的跨平台性、强大的生态系统支持，那么 Java 是一个非常优秀的选项，并且其性能完全可以满足绝大多数需求。

总而言之，这是一个关于“性能”定义和“场景”的讨论。不能简单地说“Java 已经完全超过了 C++”。但可以肯定的是，现代 Java 的性能已经强大到足以在许多方面与 C++ 一较高下，并且在许多情况下，其开发效率和易用性使得它成为更具吸引力的选择。

网友意见

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游戏/CAD本来就是C++的核心阵地，特别难被其它语言取代。（科学计算/网络服务方面的强势则更多是惯性使然）在这个场景下Java和C++有明显的性能差距，不代表别的场景下两者性能不能接近。

这类场景的特点是什么呢？操作一大堆各种类型小对象的复杂代码。

  1. 大量小对象
  2. 多种类型
  3. 代码量大

缺一不可。

这类任务说到底就是模拟。Bjarne Stroustrup创造C++就是为了做模拟，并非偶然。

Memory wall是越来越高的。Memory is the new disk. 对于这类任务，不是说你JIT生成了理论上最少cycle数的代码，性能就比肩C/C++了，还要看对象的内存布局。内存布局不能和C/C++一样紧凑的话，可能从起跑线上就已经输了。

比如最简单的对象：

       struct Point {     float x;     float y;     float z; };

C/C++的内存布局：

不可能比这更紧凑了。

再看Java（当然，与JVM具体实现相关）：

多出这12 bytes可能就是内循环能不能放进L1 cache，或者对象能不能放进一个cache line的区别（后者具体到这个例子里没问题）。

Java毕竟还有primitive types。换成一些脚本语言，比如Python，每个float还有自己的header，那更没法看了。

这是一个struct。如果有嵌套的情况：

       struct Line {     struct Point begin;     struct Point end; };

C/C++：

Java：

这就不只是多几个byte，还多了间址，有数据依赖。

再看数组：

       struct Point v[100];

C/C++：

Java：

内存访问局部性差距比较大。

回头看前面说的3点：

  1. 大量小对象
  2. 多种类型
  3. 代码量大

如果对象都是大块连续内存，比如1MB的文本块，那么object header和间址的开销就被吸收了。

如果不是类型多和代码量大，那么你不太需要C++的抽象能力，完全可以用C。

另一方面，如果类型少，你即使用Java也可以绕过语言的类型系统自己控制布局。比如Hive根本上只有Record一种对象重要，它就可以让Record大部分时间以序列化之后的形式作为内存中的一段连续字节，回避了以上各种开销。

而如果任务同时具备以上3个特点，那么对于Java（和其它高级语言），如果不能把内循环访问的对象的内存布局优化到和C/C++基本一致，那么即使JIT再先进，性能也难以接近C/C++。

所以你看到microbenchmark里JIT表现出色的往往是Fibonacci这种只涉及int和int[]的短循环/递归。别说Java JIT了，就是Python，PyPy在这类benchmark上也表现不错。然而就此推测PyPy开发游戏引擎的表现就不太靠谱。

对于JVM来说，Project Valhalla和Azul Systems的ObjectLayout似乎都在程序员手动生成近似C/C++的内存布局上下功夫。而对于VM/JIT自动优化内存布局，是否有人做，难点在哪里，在下孤陋，

@RednaxelaFX

能否指点一二？
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引用 CppCon 2014 上一个我很喜欢的演讲：

Efficiency with Algorithms, Performance with Data Structures
C++ doesn't gives you performance, It gives you control over performance.

Well, 不过说真的，控制得好的代码不多……

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