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各種編程語(yǔ)言的能耗對(duì)比

中科院長(zhǎng)春光機(jī)所 ? 來(lái)源:極市平臺(tái) ? 作者:極市平臺(tái) ? 2020-11-13 10:14 ? 次閱讀

手機(jī)快沒(méi)電時(shí),管理軟件往往會(huì)提醒我們關(guān)掉某些耗電量高的應(yīng)用。可見(jiàn),除了硬件廠商外,軟件廠商也應(yīng)該重視能耗問(wèn)題。在這篇文章中,研究者分析了一下各種編程語(yǔ)言的能耗對(duì)比。

當(dāng)能耗也成為了一個(gè)重要指標(biāo),我們要怎么選擇編程語(yǔ)言?2017 年,由 6 名葡萄牙研究者組成的團(tuán)隊(duì)決定對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查并發(fā)表了一篇名為《Energy Efficiency Across Programming Languages》的論文。他們用 27 種語(yǔ)言寫出了 10 個(gè)問(wèn)題的解決方案(遵循同樣的算法),然后運(yùn)行這些方案,記錄每種編程語(yǔ)言消耗的電量以及速度和內(nèi)存使用情況,得到的排序結(jié)果如下圖所示:

通過(guò)這項(xiàng)研究,他們得出了一些有意思的結(jié)論,比如運(yùn)行速度快的語(yǔ)言未必能耗小。 在論文中,作者還根據(jù)編程語(yǔ)言的執(zhí)行類型(編譯、虛擬機(jī)或解釋)和編程范式(命令式、函數(shù)式、面向?qū)ο蠛湍_本)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。 具體而言,研究者使用了來(lái)自 Computer Language Benchmarks Game(一個(gè)用于比較性能的免費(fèi)軟件項(xiàng)目,其中包含一組標(biāo)準(zhǔn)的算法問(wèn)題和用于運(yùn)行測(cè)試的框架)的 10 個(gè)問(wèn)題,使得研究更有可比性和代表性。 運(yùn)行各種基準(zhǔn)測(cè)試非常重要,因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)果會(huì)由于所執(zhí)行的測(cè)試而有所不同。例如,總體而言,C語(yǔ)言被認(rèn)為是最快的,也是最節(jié)能的。但是在涉及掃描 DNA 數(shù)據(jù)庫(kù)中特定基因序列的基準(zhǔn)測(cè)試中,Rust 是最節(jié)能的,而 C 語(yǔ)言位居第三。 即使在同一測(cè)試中,「最佳」語(yǔ)言也取決于你的標(biāo)準(zhǔn)。比如在一個(gè) C 排第二、Rust 排第一的測(cè)試中,如果按內(nèi)存使用情況對(duì)結(jié)果進(jìn)行排序,Rust 會(huì)跌掉 9 個(gè)位次。而在一個(gè) Fortran 能效第二高的測(cè)試中,如果結(jié)果按照運(yùn)行時(shí)間排序,它也下降了 6 個(gè)位次。 研究者指出,他們嚴(yán)格遵守 CLBG 項(xiàng)目關(guān)于編譯器版本和最佳優(yōu)化標(biāo)志的指導(dǎo)方針。功耗的測(cè)量使用一個(gè)來(lái)自英特爾的工具——Running Average Power Limit,每個(gè)程序運(yùn)行 10 遍。作者表示,「這是為了減少冷啟動(dòng)和緩存效應(yīng)的影響,并能夠分析測(cè)量的一致性,避免異常值」。 為了增強(qiáng)一致性,所有測(cè)試都在一個(gè)運(yùn)行 Linux Ubuntu Server 16.10(內(nèi)核版本 4.8.0-22-generic)的臺(tái)式機(jī)上運(yùn)行。

運(yùn)行速度快的語(yǔ)言更節(jié)能嗎?

這篇論文認(rèn)真地研究了一個(gè)普遍的假設(shè):速度越快的程序消耗的能源就越少。研究者指出,其實(shí),這并不像物理學(xué)定律 E(nergy) = T(ime) x P(ower) 那么簡(jiǎn)單。這是因?yàn)殡娏Σ⒉话凑找欢ǖ乃俾蔬M(jìn)行消耗。在其他研究者的一項(xiàng)研究中,一個(gè) Chapel 程序的運(yùn)行時(shí)間比另一個(gè)用 Pascal 寫的等價(jià)程序少 55%,但測(cè)量結(jié)果卻表明,那個(gè) Pascal 程序所用的能量反而要少 10%。 因此,盡管普遍認(rèn)為程序運(yùn)行速度更快時(shí)能耗會(huì)下降,但研究者明確指出「速度更快的語(yǔ)言并不總是更節(jié)能。」 這可能是一個(gè)很難回答的問(wèn)題,因?yàn)楣氖艿皆S多因素的影響(包括編譯器的質(zhì)量和使用的庫(kù))。但最終,研究人員總結(jié)出,無(wú)論是編譯型語(yǔ)言、解釋型語(yǔ)言還是虛擬機(jī),其實(shí)大部分能量(平均 88% 左右)是由 CPU 消耗的。 在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析研究之后,研究者還得出結(jié)論:DRAM 的峰值使用量與能耗之間「幾乎沒(méi)有關(guān)系」。該研究為一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題提供了答案:「速度更快就更環(huán)保嗎?」是的,的確是這樣,在按照?qǐng)?zhí)行時(shí)間進(jìn)行排序時(shí),前 5 種最節(jié)能的語(yǔ)言依然排在前 5 名,而且在能量和時(shí)間值方面的差距很小。 實(shí)際上,在 10 個(gè)基準(zhǔn)問(wèn)題測(cè)試中,有 9 個(gè)得分最高者(速度和能源效率兩方面)是速度最快和能源效率最高的三種語(yǔ)言之一,這并沒(méi)有讓研究者感到驚訝。眾所周知,就像研究中的數(shù)據(jù)所顯示的一樣,C、C++ 和 Rust 這三種排名最靠前的語(yǔ)言都經(jīng)過(guò)了大量?jī)?yōu)化,在執(zhí)行性能上都比較高效。 但是按照運(yùn)行時(shí)間對(duì)其他 24 種語(yǔ)言進(jìn)行排名時(shí),情況就不一樣了。只有 4 種語(yǔ)言保持相同的能耗和時(shí)間排名(OCaml、Haskel、Racket 和 Python),而其余語(yǔ)言則徹底散開(kāi)。 即使在單項(xiàng)基準(zhǔn)測(cè)試中,也存在速度快但不節(jié)能的語(yǔ)言。

編譯型語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)

編譯型語(yǔ)言似乎是最節(jié)能和運(yùn)行最快的語(yǔ)言,作者甚至可以在論文中用數(shù)字量化這種差異。 平均而言,編譯語(yǔ)言需要花費(fèi) 120J 能量來(lái)運(yùn)行解決方案,而虛擬機(jī)和解釋型語(yǔ)言要分別花費(fèi) 576J 和 2365J。 在比較執(zhí)行時(shí)間時(shí),研究者也采用了相同的精度,得出的結(jié)論是:平均而言,編譯語(yǔ)言花費(fèi) 5103 毫秒,虛擬機(jī)語(yǔ)言花費(fèi) 20623 毫秒,解釋型語(yǔ)言花費(fèi) 87614 毫秒。 兩項(xiàng)排名中的前 4 名均為編譯型語(yǔ)言(有一個(gè)例外,Java 語(yǔ)言)。

5 種最慢的語(yǔ)言都是解釋型語(yǔ)言:Lua、Python、Perl、Ruby 和 Typescript。5 種能耗最多的語(yǔ)言也都是解釋型語(yǔ)言:Perl、Python、Ruby、JRuby 和 Lua。 但同時(shí),在使用正則表達(dá)式操作字符串時(shí),5 種最節(jié)能的語(yǔ)言中有三種(TypeScript、JavaScript 和 PHP)是解釋型語(yǔ)言。盡管在其他情況下,它們往往不是很節(jié)能。 編譯型語(yǔ)言在占用內(nèi)存最少的排名中也占據(jù)了前 5 名。

研究者稱:「平均而言,編譯語(yǔ)言需要 125Mb,虛擬機(jī)語(yǔ)言需要 285Mb,而解釋語(yǔ)言則需要 426Mb。」具體來(lái)說(shuō),有 4 種解釋型語(yǔ)言在這項(xiàng)排名中墊底,這意味著它們消耗了最多的內(nèi)存空間。 「如果按照它們的編程范式進(jìn)行排序,命令式語(yǔ)言需要 116Mb,面向?qū)ο笳Z(yǔ)言需要 249Mb,函數(shù)式編程語(yǔ)言是 251Mb,腳本需要 421Mb。」 實(shí)際上,當(dāng)比較不同范式時(shí),命令式編程通常排在首位。與面向?qū)ο蟆⒑瘮?shù)式以及腳本范式的基準(zhǔn)程序相比,命令式編程的基準(zhǔn)程序平均使用的能源少得多,運(yùn)行速度也更快。

但是有很多因素需要考慮。研究者稱「很顯然,不同的編程范式,甚至同一范式中的語(yǔ)言對(duì)能耗、時(shí)間、內(nèi)存的影響也完全不同」。但是,其中哪一個(gè)因素最重要取決于你自己的需求情況(例如,后臺(tái)任務(wù)并不總是需要最快的運(yùn)行時(shí)間)。 某些應(yīng)用程序需要同時(shí)考慮兩個(gè)因素,如能耗和執(zhí)行時(shí)間。研究者稱:「在這樣的情況下,C 語(yǔ)言是最佳的解決方案,因?yàn)樗谶@兩個(gè)方面都很有優(yōu)勢(shì)。」如果你想在節(jié)省內(nèi)存的同時(shí)節(jié)省時(shí)間,那么 C 語(yǔ)言、Pascal 和 Go 語(yǔ)言都可以。如果你正在觀察 3 個(gè)變量(時(shí)間、能耗和內(nèi)存使用情況),那么結(jié)論也是一樣的。但是,如果你只是想在使用更少內(nèi)存的同時(shí)節(jié)省能源,那么最好的選擇是 C 語(yǔ)言或 Pascal。

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原文標(biāo)題:哪種編程語(yǔ)言又快又省電?有人對(duì)比了27種語(yǔ)言

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