各種編程語言的能耗對比

在手機(jī)快沒電時(shí)，管理軟件往往會提醒我們關(guān)掉某些耗電量高的應(yīng)用?？梢姡?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件廠商外，軟件廠商也應(yīng)該重視能耗問題。在這篇文章中，研究者分析了一下各種編程語言的能耗對比。

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言？2017 年，由 6 名葡萄牙研究者組成的團(tuán)隊(duì)決定對這一問題進(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 種語言寫出了 10 個(gè)問題的解決方案（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)行速度快的語言未必能耗小。 在論文中，作者還根據(jù)編程語言的執(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）對結(jié)果進(jìn)行了分析。 具體而言，研究者使用了來自 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)的算法問題和用于運(yùn)行測試的框架）的 10 個(gè)問題，使得研究更有可比性和代表性。 運(yùn)行各種基準(zhǔn)測試非常重要，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)果會由于所執(zhí)行的測試而有所不同。例如，總體而言，C語言被認(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)庫中特定基因序列的基準(zhǔn)測試中，Rust 是最節(jié)能的，而 C 語言位居第三。 即使在同一測試中，「最佳」語言也取決于你的標(biāo)準(zhǔn)。比如在一個(gè) C 排第二、Rust 排第一的測試中，如果按內(nèi)存使用情況對結(jié)果進(jìn)行排序，Rust 會跌掉 9 個(gè)位次。而在一個(gè) Fortran 能效第二高的測試中，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。功耗的測量使用一個(gè)來自英特爾的工具——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和緩存效應(yīng)的影響，并能夠分析測量的一致性，避免異常值」。 為了增強(qiáng)一致性，所有測試都在一個(gè)運(yùn)行 Linux Ubuntu Server 16.10（內(nèi)核版本 4.8.0-22-generic）的臺式機(jī)上運(yùn)行。

運(yùn)行速度快的語言更節(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)能耗會下降，但研究者明確指出「速度更快的語言并不總是更節(jié)能?！? 這可能是一個(gè)很難回答的問題，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）。但最終，研究人員總結(jié)出，無論是編譯型語言、解釋型語言還是虛擬機(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「幾乎沒有關(guān)系」。該研究為一個(gè)長期存在的問題提供了答案：「速度更快就更環(huán)保嗎？」是的，的確是這樣，在按照執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行排序時(shí)，前 5 種最節(jié)能的語言依然排在前 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)問題測試中，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言之一，這并沒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言都經(jīng)過了大量優(yōu)化，在執(zhí)行性能上都比較高效。 但是按照運(yùn)行時(shí)間對其他 24 種語言進(jìn)行排名時(shí)，情況就不一樣了。只有 4 種語言保持相同的能耗和時(shí)間排名（OCaml、Haskel、Racket 和 Python），而其余語言則徹底散開。 即使在單項(xiàng)基準(zhǔn)測試中，也存在速度快但不節(jié)能的語言。

編譯型語言的優(yōu)點(diǎn)

編譯型語言似乎是最節(jié)能和運(yùn)行最快的語言，作者甚至可以在論文中用數(shù)字量化這種差異。 平均而言，編譯語言需要花費(fèi) 120J 能量來運(yùn)行解決方案，而虛擬機(jī)和解釋型語言要分別花費(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，編譯語言花費(fèi) 5103 毫秒，虛擬機(jī)語言花費(fèi) 20623 毫秒，解釋型語言花費(fèi) 87614 毫秒。 兩項(xiàng)排名中的前 4 名均為編譯型語言（有一個(gè)例外，Java 語言）。

5 種最慢的語言都是解釋型語言：Lua、Python、Perl、Ruby 和 Typescript。5 種能耗最多的語言也都是解釋型語言：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)能的語言中有三種（TypeScript、JavaScript 和 PHP）是解釋型語言。盡管在其他情況下，它們往往不是很節(jié)能。 編譯型語言在占用內(nèi)存最少的排名中也占據(jù)了前 5 名。

研究者稱：「平均而言，編譯語言需要 125Mb，虛擬機(jī)語言需要 285Mb，而解釋語言則需要 426Mb?！咕唧w來說，有 4 種解釋型語言在這項(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，命令式語言需要 116Mb，面向?qū)ο笳Z言需要 249Mb，函數(shù)式編程語言是 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言對能耗、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 語言是最佳的解決方案，因?yàn)樗谶@兩個(gè)方面都很有優(yōu)勢。」如果你想在節(jié)省內(nèi)存的同時(shí)節(jié)省時(shí)間，那么 C 語言、Pascal 和 Go 語言都可以。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 語言或 Pascal。

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