XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение. Выбор языка программирования оказывает существенное влияние на производительность, надёжность и сопровождаемость программного обеспечения. Особенно важен этот выбор при разработке приложений, требующих эффективной обработки данных и выполнение базовых операций, таких как сортировка и работа с файлами. Среди множества языков особое внимание заслуживают C++ и Java, два объектно-ориентированных языка, широко применяемых в промышленной разработке, но реализованных на разных уровнях системной абстракции. C++ компилируемый язык, близкий к аппаратному уровню, предоставляющий разработчику полный контроль над ресурсами системы. Однако эта гибкость сопряжена с повышенной сложностью: ошибки в управлении память. (например, утечки или двойное освобождение) могут привести к нестабильной работе. Эти недостаток можно смягчить за счёт строго соблюдение правил RAII (Resource Acquisition Is Initialization) и использования современных средств языка, таких как автоматические локальные переменные и контейнеры стандартной библиотеки (например, std::vector), которые управляют памятью самостоятельно. Java, напротив, выполняется в среде виртуальной машины и обеспечивает автоматическое управление памятью с помощью сборщика мусора. Это повышает надёжность и упрощает разработку, но вносит накладные расходы, что может снизить производительность в вычислительных интенсивных задачах. Этот недостаток так же можно частично компенсировать настройкой параметров JVM и применением пулов памяти или off-heap решений. Эти особенности делают сравнение языков актуальным: несмотря на схожесть в синтаксисе и парадигмах, они по-разному влияют на эффективность выполнения одних и тех же операций. Ранние исследования (например, Prechelt, 1999; Nikishkov et al., 2003) отмечали значительное отставание Java по скорости и потреблению памяти. Однако совеременные версии компиляторов и виртуальных машин существенно улучшили ситуацию, что требует актуального повторного сравнения в контексте типовых задач.
Цель исследования. Провести сравнительный анализ производительности языков программирования C++ и Java при выполнении базовых операций, таких как сортировка целых чисел, чтение и запись файлов, с целью выявления их относительных преимуществ и недостатков в типичных сценариях использования.

Материал и методы исследования. Для сравнения производительности языков C++ и Java были созданы два приложения с идентичным дизайном, осуществляющие загрузку, сортировку и сохранение массивов целых чисел. Эксперимент проводился на наборах данных разного объёма (1000, 10 000, 100 000 элементов). Время выполнение каждой операции измерялось отдельно. Для измерения времени в С++ использовалась стандартная библиотека ctime. Она содержит тип clock_t и функцию clock. Вместе они позволяют получить количество тактов процессора с момента запуска системы. Чтобы измерить длительность события (например, загрузки данных), вычитали начальное время из конечного. Для этого фиксировали время до и после события. Для Java использовался стандартный пакет System, в котором есть встроенная функция времени. Для измерения времени в миллисекундах использовалась функция currentTimeMillis. Время фиксировалось до и после события, затем вычислялась разница. У Java нет таких же возможностей для ручной оптимизации кода, как у C++, поскольку она компилируется собственным компилятором javac в байт-код, который затем выполняется на виртуальной машине Java (JVM). Этот компилятор автоматически оптимизирует код. Чтобы сделать сравнение максимально справедливым, среда разработки C++ была настроена на максимальную оптимизацию кода с использованием флага O2 и запуск в режиме Release, что исключает накладные расходы на откладку и оптимизирует код настолько, насколько это возможно. Исходя из этого составим схему принципа работы системы (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема принципа работы

Каждый тест повторялся 50 раз для повышения достоверности результатов. Сравнительный

анализ проводился на основе усреднённых значений времени выполнения. Приложения были созданы в разных интегрированных средах разработки, Java приложение было создано в VS Code, а приложение на C++ было запрограммировано в Visual Studio 2022. Оба проекта были созданы как 32-разрядные. Этот тест проводился на 64-разрядной операционной системе с Windows 11, 16 ГБ оперативной памяти и процессором i5, работающим на частоте 4,4 ГГц.

Результат исследования. Результаты показывают, что Java в целом работает быстрее, чем С++, а также быстрее загружает два из трёх наборов данных. С++ в целом быстрее при сортировке данных обоими алгоритмами и при сохранении в файлы. При чтении данных из файла посимвольно Java оказалась быстрее используя объекты File и Scanner, по сравнению с С++, который использовался стандартную библиотеку fstream. Java быстрее загружала два больших набора данных, но была медленнее при загрузке самого маленького – примерно на две секунды. Разница для других двух наборов составила около одной секунды для 10 000 целых чисел и около 22 секунд для 100 000. Медленная загрузка данных в С++ привела к тому, что общее время выполнения оказалась больше. В среднем, Java была быстрее благодаря более эффективному чтению файлов, однако при сортировке и обработке данных С++ в целом быстрее, особенно при сортировке самого большого набора с помощью сортировки вставками (на восемь секунд быстрее) и быстрой сортировки (на более чем секунду быстрее). Сохранение данных в конце каждой итерации было быстрее в С++ на несколько секунд, особенно для самого большого набора данных, где разница составила около двух секунд. Результаты показывают, что с увеличением размера наборов данных разница во времени растёт значительно. Масштабируемость Java лучше при загрузке данных, но при сортировке с помощью quicksort и сохранении данных С++ масштабируется лучше. Сортировка вставками плохо масштабируется в обоих приложениях. Таблицы и графики наглядно показывают эти различия. (таб. 1), (таб. 2).

Таблица 1 – Результаты тестирования производительности С++ (время выполнения в миллисекундах)

Таблица 2 – Результаты тестирования производительности Java (время выполнения в миллисекундах)

Ось Y графиков отображает размер набора данных, а ось X – время в миллисекундах. На первом графике отчётливо видно, что С++ (оранжевый) значительно медленнее и хуже масштабируется по сравнению с Java (синий) при загрузке из файла. С++ быстрее только при работе с наименьшим набором данных. Так же нужно обратить внимание, что загрузка самого большого файла заняла больше семи секунд (73 миллисекунд). (рис. 1).

Рисунок 1 – Сравнение загрузки

На втором графике показаны результаты сравнения быстрой сортировки: С++ (оранжевый) оказалась быстрее, ладе если разница составляет всего несколько миллисекунд. (рис. 2).

Рисунок 2 – Quicksort сравнение

На третьем графике разница во времени не так велика, однако операция заняла почти 12 секунд (1200 мс). Алгоритм сортировки вставками плохо масштабируется и показала очень низкую производительность как в Java, так и в С++. С++ (оранжевый) справилась быстрее, но всего на несколько миллисекунд. Результаты для самого маленького набора данных на этом графике не видны, но С++ выполнила операцию за 0,1 мс, а Java – за 0,22 мс. (рис. 3).

Рисунок 3 – Сравнение вставок и сортировки

На четвёртом графике показано, что С++ был быстрее Java при сохранении данных в файл. Java был быстрее во втором тесте. (граф. 4).

График 4 – Сравнение сохранения

На пятом графике показано среднее общее время, затраченное приложениями на выполнение всех 50 итераций, Java (синий) оказалась медленнее С++ во всех тестах кроме одного – с самым маленьким набором данных (1000 целых чисел). Результаты для самого маленького набора трудно разобрать на этом графике, но общее время выполнения составило: С++ - 2.68 мс, Java – 4,8 мс (рис. 5).

Рисунок 5 – Общее сравнение

Выводы. Результаты показывают, что С++ быстрее при сортировке и обработке данных, особенно при использовании quicksort и сортировки вставками, а также при сохранении файлов. Однако загрузка данных в С++ оказалась медленнее из-за посимвольного чтения, что привело к худшему масштабированию. В Java загрузка данных была быстрее благодаря более эффективной работе с токенами в библиотеке Scanner. В целом, С++ показала лучшую производительность при обработке данных, но Java при загрузке. Масштабируемость сортировки вставками оказалась плохой для обоих языков, в то время как quicksort масштабировался лучше. В реальных приложениях, где загрузка данных происходит не так часто, С++ может быть предпочтительнее благодаря более высокой скорости обработки.

Списоклитературы.

1.Prechelt, L. (1999). Technical opinion: Comparing java vs. C/C++ efficiency differences to interpersonal differences. Communications of the ACM, 42(10), 109-112. doi:10.1145/317665.317683.

2.Nikishkov, G. P., Nikishkov, Y. G., & Savchenko, V. V. (2003). Comparison of C and java performance in finite element computations. Computers and Structures, 81(24), 2401-2408. doi:10.1016/S0045-7949(03)00301-8.

3. METANIT: материалы по таким направлениям, как язык C#, C/C++ и технологии на базе Java. URL:https://metanit.com/

4. Java currentTimeMillis function. (n.d.). Retrieved from https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/System.html#currentTimeMillis()

5. Шилдт, Г. Java: руководство для начинающих / Герберт Шилдт. — 7-е изд. — М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2020. — 688 с.

6. Савченко, В. В. Объектно-ориентированное программирование: Учебное пособие / В. В. Савченко. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Академия, 2013. — 288 с.