C++、Rust 编译一样糟糕？我用 1.7 万行代码试了试
【CSDN 编者按】编程语言界，在编译上，有两种语言比较出名，一个是老牌的 C++，一个是近几年因安全的性能而流行起来的 Rust，其都是被评为编译很慢的语言。那么这两种语言相较而言，究竟孰优孰劣，本文作者进行了测试，我们不妨通过其实验一探究竟。
原文链接：https://quick-lint-js.com/blog/cpp-vs-rust-build-times/
声明：本文为 CSDN 翻译，未经允许，禁止转载。
众所周知，C++ 的编译十分缓慢。编程圈子有一个著名的梗：“代码正在编译”，这个梗就来自 C++。
像 Google Chromium 这样的项目在最新的硬件上也需要一个小时才能构建完成，在旧硬件上则需要长达六个小时。文档里记载了数不清的加速编译的技巧，还有许多很容易出错的捷径，用来减少每次编译的代码量。即使使用数千美元的云计算，Chromium 的构建时间也需要几十分钟。我完全无法接受这一点。这样如何能正常工作？
Rust 也有类似的传言：编译时间是个大问题。但这真的是 Rust 的问题，还是黑 Rust 的谣言？跟 C++ 的编译时间相比，Rust 又如何呢？
我很关心编译速度和运行时性能。更快的构建测试循环可以提高生产力，而且可以让编程更快乐，那么我就能让软件的运行速度更快，客户也能更开心。所以，我决定亲眼看看 Rust 是否真的像他们说的那么差。我的计划如下：
找一个开源 C++ 项目；
将项目的某一部分单独分离出来变成一个小项目；
用 Rust 逐行重写 C++ 代码；
优化 C++ 项目和 Rust 项目的编译时间；
比较两个项目的编译和测试时间。
我的假设是（猜测，不是结论）：
Rust 的代码行数比 C++ 略少。
因为C++中大多数函数和方法都需要定义两次（头文件中一次，实现中一次）。Rust 则不需要这样做，因此代码行数就会减少。
需要进行完整编译时，C++ 比 Rust 需要更多时间（即 Rust 胜出）。
这是因为 C++ 的 #include 和模板需要在每个 .cpp 中进行编译。虽然可以并行进行，但并行并不完美。
对于增量构建，Rust 的编译时间比 C++ 多（即 C++ 胜出）。
这是因为 Rust 一次编译一个 crate，而不像 C++ 那样一次编译一个文件，所以即使只有很小的变化，Rust 也要重新编译更多的代码。
你认为如何？我进行了一项调查：
42% 的人认为 C++ 会获胜，35% 的人认为需要具体分析，17% 的人认为 Rust 会获胜。
下面，实验开始！
寻找 C++ 和 Rust 的实验对象
寻找项目
如果需要花一个月来移植代码，我要移植哪个呢？我的挑选条件如下：
很少或没有第三方依赖（标准库没关系）；
可以在 Linux 或 macOS 上运行（我不太关心在 Windows 上的编译时间）；
有大量的测试用例（没有测试用例，我没办法知道我写的Rust代码是否正确）；
涉及多种技术：FFI、指针、标准和自定义容器、工具类和函数、I/O、并发、泛型、宏、SIMD、继承。
最后的选择很简单：选我前几年写过的项目！我将移植之前在 quick-lint-js（https://quick-lint-js.com/blog/cpp-vs-rust-build-times/#:~:text=quick%2Dlint%2Djs%20project）项目中编写的 JavaScript 词法分析器。
修剪 C++ 代码
quick-link-js 的 C++ 部分包含大约 10 万行代码。我不会把这么多代码全都移植到 Rust，否则要花费一年时间！所以只选了 JavaScript 词法分析器部分。这需要涉及项目中的其他部分：
诊断系统
翻译系统（用于诊断）
多种内存分配器和容器（如 bump 分配器、适用于 SIMD 的字符串等）
多种工具函数（如 UTF-8 解码器、SIMD 封装等）
测试辅助代码（如自定义的断言宏）
C API
不幸的是，这个子集并不包含任何并发或 I/O 代码。也就是说，我没办法测试 Rust 的 async/await 在编译时间上的额外开销。不过在 quick-lint-js 中这种代码并不多，所以不是什么大问题。
首先，我复制了所有 C++ 代码，然后删掉了与词法分析器无关的东西，如语法分析器和 LSP 服务器等，直到无法删除任何代码为止。整个过程中都要保证 C++ 测试通过。
将 quick-lint-js 的代码精简到词法分析器（以及它所需的任何其他代码）之后，得到了大约 1.7 万行 C++ 代码：
重写
如何重写数千行 C++ 代码呢？只能一次重写一个文件。下面是具体的过程：
从某个模块着手；
复制代码和测试，用查找替换的方法修正某些语法，然后不断运行 cargo test，直到编译通过、测试通过；
如果需要先转换其他模块，则返回第二步对其进行转换，然后再回到该模块；
如果还有模块尚未转换，则返回第一步。
Rust 和 C++ 项目有一个主要区别可能会影响编译时间。在 C++ 项目中，诊断系统中包含许多代码生成、宏和 constexpr。而在 Rust 移植中，我采用了代码生成、proc 宏、普通的宏，还有一些 const。我听说 proc 宏很慢的原因只是它们很难写好。我希望我的 proc 宏写得还不错。
最后的 Rust 项目要比 C++ 项目略大一些。C++有 16,600 行代码，而 Rust 有 17,100 行。
优化 Rust 的编译时间
我很在意编译时间。因此，我的 C++ 项目已经针对编译时间做了许多优化。我需要针对 Rust 项目进行类似的优化。
我们来尝试一下以下手段，以优化 Rust 项目的编译时间：
更快的连接器
Cranelift 后端
编译器和连接器的标志
不同的工作区和测试布局
尽可能减少依赖特性
cargo-nextest
通过 PGO 定制的工具链
更快的连接器
第一步是对构建进行性能测试。首先通过 -Zself-profile 标志进行测试。在我的项目中，该标志会输出两个不同的文件。在其中一个文件中，run_linker 阶段的时间最长：
我曾经将连接器换成 mold linker，成功地改善了 C++ 的编译时间。我们在 Rust 项目上试试看：
很可惜，几乎看不到显著的改善。
上面是 Linux 的情况。macOS 也有另一个连接器：lld 和 zld。我们试试看：
在 macOS 上，换成另一种连接器也没有任何显著的改善。可能是因为 Linux 和 macOS 的默认连接器对于我的小项目来说已经非常优秀了。进一步优化的连接器（Mold、lld、zld）可能在大型项目上表现更好。
Cranelift 后端
我们再来看看 -Zself-profile 性能测试。对于另一个文件来说，LLVM_module_codegen_emit_obj 和 LLVM_passes 阶段时间最长：
我听说，除了默认的 rustc 后端 LLVM 之外，还有一个名为 Cranelift 的后端。我用 rustc Cranelift 后端尝试编译了一下，-Zself-profile 的结果很令人振奋：
但很可惜，使用 Cranelift 的实际编译时间甚至还不如 LLVM：
编译器和连接器选项
编译器有许多开关，可以加速编译（或减缓编译）。我们来尝试一部分：
-Zshare-generics=y (rustc) (实验性质的选项)
-Clink-args=-Wl,-s (rustc)
debug = false (Cargo)
debug-assertions = false (Cargo)
incremental = true and incremental = false (Cargo)
overflow-checks = false (Cargo)
panic = 'abort' (Cargo)
lib.doctest = false (Cargo)
lib.test = false (Cargo)
注意：quick, -Zshare-generics=y 相当于 quick, incremental=true 加上启用 -Zshare-generics=y 标志。其他条形图没有启用 -Zshare-generics=y，因为该选项仍不稳定（因此只能用仍在开发中的Rust编译器）。
大部分选项都有文档，但我没看到有人说过使用 -s 连接选项。-s 能删除调试信息，包括静态连接的 Rust 标准库中的调试信息。这就意味着连接器的工作量更少，从而能减少连接的时间。
工作区和测试布局
Rust 和 Cargo 对于文件的位置有一定的灵活性。该项目有三种合理的布局：
理论上，如果将代码分割到多个 crate 中，Cargo 就能并行调用 rustc。由于我的 Linux 机器有一个 32 线程的 CPU，macOS 机器有一个 10 线程 CPU，所以感觉启用并行应该能降低构建时间。
对于给定的 crate，Rust 项目中也有多个地方可以放置测试用例：
由于依赖循环，我没办法针对 tests 位于 src 内的布局进行测试。但我针对其他布局的各种组合进行了测试：
工作区配置（不论是分离的测试可执行文件（即多个测试用的exe文件）或合并成一个测试可执行文件（只有一个测试用的exe））似乎效果最好。所以我们后文采用工作区、多个测试可执行文件的配置。
尽可能减少依赖特性
许多 crate 支持可选的特性。有时，可选特性是默认启用的。我们用 cargo tree 看看启用了哪些特性：
libc crate 有一个特性名为 std。我们将其禁用并测试，看看构建时间是否有改善：
构建时间并没有任何提高。也许std特性并没有什么有意义的工作？
cargo-nextest
cargo-nextest工具宣称“相较于cargo test，速度最多可以提高60%”。我的Rust代码中有44%都是测试，也许cargo-nextest有用。我们来试试并比较一下构建和测试的时间。
在我的Linux机器上，cargo-nextest并没有改善，也没有变差。虽然输出结果漂亮了许多……
在macOS上会怎样呢？
在我的MacBookPro上，cargo-nextest的确快了那么一点点。不知道为什么加速跟操作系统有关。也许实际上跟硬件有关？
采用通过PGO定制的工具链
对于C++构建来说，我发现通过PGO（profile-guided optimizations，根据性能测试进行的优化，有时也称FDO）编译出的C++编译器，在性能上有很大提升。我们针对Rust工具链尝试一下PGO，然后再尝试用LLVM BOLT优化rustc，以及-Ctarget-cpu=native。
与C++编译器相比，似乎通过rustup发布的Rust工具链已经优化得很好了。PGO+BOLT带来的性能提升不到10%。但提升就是提升，所以接下来我们使用优化后的工具链与C++作比较。
优化C++构建
在原始的C++项目quick-lint-js上工作时，我已经使用常见的技术对其进行了优化，如PCH、禁用异常和RTTI、调整构建选项、删除无用的#include、将代码移出头文件、将模板实例化外置等。但C++有多种编译器和连接器。我们来比较一下它们，然后选择最好的一个跟Rust进行比较。
在Linux上，GCC显然是个异类。Clang要快得多。而我自己构建的Clang（与Rust构建一样，采用了PGO和BOLT）比Ubuntu自带的Clang又有很大提升。libstdc++构建平均而言比libc++快一点点。我们采用自己构建的Clang和libstd++，代表C++与Rust进行比较。
在macOS上，Xcode自带的Clang似乎比LLVM网站上提供的Clang工具链更好。我采用Xcode的Clang与Rust比较。
C++20模块
我的C++代码使用了#include。但C++20的import怎样呢？C++20的模块会让编译更快吗？
我在项目中尝试了C++20。截至目前，Linux上的CMake对于模块的支持仍然处于早期试验阶段，就连基本的helloworld都不能正常工作。
也许2023年C++20的模块会有长足发展。我非常希望如此，但至少目前，我只能用C++传统的#include。
C++和Rust的构建时间比较
我把C++项目移植到了Rust，并尽可能优化了Rust的构建时间。现在哪个编译器更快，C++还是Rust？
在我的Linux机器上，Rust构建有时候比C++快，但有时慢，或者不相上下。在incremental lex测试中（该测试修改的文件最大），Clang比rustc更快。但对于其他增量测试，rustc领先。
但是，在macOS上，结论完全不同。C++构建通常比Rust构建快得多。在incremental test-utf-8测试中（该测试修改的文件为中等大小），rustc编译得比Clang略快。但在所有其他增量测试以及完整构建中，Clang显然要快得多。
对于超过1.7万行的大项目
我只测试了1.7万行代码的小项目。对于大项目（比如10万行），构建时间如何呢？
为了测试C++和Rust编译器在大项目上的表现，我选择了最大的模块（词法分析器）并将其代码和测试用例复制了多个副本（8个、16个以及24个）。
由于我的性能测试也包括了运行测试的时间，所以我认为时间应该会线性增加。
Rust和Clang的编译时间都是线性增长的，符合我的预期。
对于C++而言，头文件（incremental diag-types）的变化对构建时间的影响最大，这一点符合预期。在其他增量测试中，构建时间增长的幅度较小，这要归功于Mold连接器。
我对Rust感到失望，即使在incremental test-utf-8测试中，rust的表现也不尽如人意（该测试添加了一些不相关的文件，因此不应该会受到太大影响）。该测试使用了工作区、多个测试exe文件，这意味着test-utf-8应该有自己的可执行文件，应该是单独编译的。
结论
Rust的编译时间是问题吗？是。有许多技巧可以加快构建，但我没找到任何方法能够带来数量级上的提升。
Rust的构建时间是否和C++一样差？是。对于大型项目，开发的编译时间甚至比C++更差，至少对于我的编程风格是这样。
回顾一下我的假设，可以看到假设的所有方面都错了：
Rust移植版本比C++版本的代码行数更多，而不是更少。
对于完整编译（1.7万行代码），C++消耗的时间基本上与Rust相同，甚至更少（10万+代码），而不会更多。
对于增量构建，Rust有时候消耗时间更短，有时更长（1.7万行代码），或者长得多（10万+代码），但也不一定。
是不是很失望？是的。在移植的过程中我学到了许多Rust的知识。例如，proc宏可以替换三种不同的代码生成器，从而简化构建流水线，也可以让贡献者更容易提交代码。我并不想念头文件，我也很感谢Rust的工具（特别是Cargo、rustup和miri）。
我决定不再移植quick-lint-js的其余部分到Rust。但如果构建时间能显著改善，也许我会改变主意。
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