C 代码为何运行比 Python 快?

2025年1月4日 | 阅读 4 分钟

了解 C 编程语言

C 语言是一种标准的、过程式编程语言,于 20 世纪 70 年代初由 Dennis Ritchie 在贝尔实验室开发。它已成为有史以来使用最广泛的编程语言之一,尤其在结构编程、嵌入式系统和高性能应用程序中。

C 的主要特点

  • 过程式语言: C 是过程式的,这意味着程序是围绕过程或函数构建的。它遵循自顶向下的方法,将问题分解为更小的、可行的函数。
  • 低级访问: C 通过指针提供对内存的低级访问。这允许对硬件资源进行细粒度的控制,使 C 语言适用于系统编程。
  • 编译型语言: C 是一种编译型语言。源代码通过编译器转换成机器代码,然后可以直接由计算机硬件执行。这会生成高效且快速的可执行文件。
  • 可移植性: C 代码可以经过很少或无需修改即可在许多不同类型的计算机上编译和运行,使其成为一种可移植的语言。
  • 丰富的库: C 带有一个标准库,为输入/输出、字符串操作和数学计算等常见任务提供了一套丰富的函数。

C 程序的基本结构

输出

 
Hello, World!   

说明

  • ` #include <stdio.h> `: 这一行包含标准输入输出库,对于使用 `printf` 函数至关重要。
  • `int main()`: `main` 函数是程序的入口。
  • `printf("Hello, World! \ n");`: 这个函数调用将字符串 "Hello, World!" 打印到控制台。
  • `return 0;`: 这个语句向操作系统返回零,表示程序成功终止。

了解 Python 编程语言

Python 是一种高级、解释型编程语言,以其清晰、简洁和灵活性而闻名。由 Guido van Rossum 开发,并于 1991 年首次发布,Python 已成为最受欢迎的编程语言之一,这归功于其易于学习和庞大的库。

Python 的主要特点

  • 解释型语言: Python 是解释型的,这意味着代码由解释器逐行执行。这允许交互式测试和调试;然而,与编译型语言相比,它可能导致执行速度较慢。
  • 高级语言: Python 抽象了计算机硬件的大部分复杂细节,使开发人员能够专注于解决问题,而不是处理内存或其他低级任务。
  • 动态类型: Python 使用动态类型,这意味着变量类型是在运行时确定的。这提供了灵活性;然而,如果不谨慎管理,可能会引入运行时错误。
  • 面向对象: Python 支持面向对象编程 (OOP),通过类和对象创建可重用和模块化的代码。
  • 广泛的标准库: Python 的标准库包含用于各种任务的模块和程序,从文件 I/O 和系统调用到 Web 开发和科学计算。
  • 可读且易于维护的代码: Python 的语法强调清晰性,并使用缩进定义代码块,使其更易于编写和维护。
  • 跨平台兼容性: Python 运行在包括 Windows、macOS 和 Linux 在内的许多平台上,确保 Python 程序具有可移植性。

Python 程序的基本结构

输出

 
Hello, World!   

说明

  • `def main():`: 定义了一个名为 `main` 的函数。
  • `print("Hello, World!")`: 将字符串 "Hello, World!" 打印到控制台。
  • `if __name__ == "__main__":`: 确保 `main()` 函数仅在脚本直接执行时调用,而不是在作为模块导入时调用。

C 代码为何运行比 Python 快?

原因

CPython
1. C 是编译型语言。代码在执行前被翻译成机器代码,直接在硬件上运行。1. Python 是解释型语言。代码由解释器逐行执行,增加了开销。
2. 静态类型。变量类型在编译时已知,允许进行优化。2. 动态类型。类型在运行时确定,需要更多的检查和开销。
3. 手动内存管理。提供对内存分配和释放的细粒度控制。3. 自动内存管理,带有垃圾回收。增加了管理内存的开销。
4. 广泛的编译器优化,包括内联、循环展开和向量化。4. 有限的运行时优化。一些即时 (JIT) 编译器(例如 PyPy)可以提高速度,但通常不如 C。
5. 直接访问内存和硬件资源,允许编写特别高效且定制的代码。5. 更高级别的抽象,简化了开发,但增加了执行开销。
6. 由于更简单的调用约定和缺乏动态函数,开销较低。6. 由于动态函数解析、参数类型检查和 Python 堆栈帧的管理,开销较高。
7. 最小的运行时开销,因为机器代码直接在硬件上运行。7. 解释器解析和执行代码带来了显著的运行时开销。