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能量使用數(shù)據(jù)是否能告訴我們編程語言的質(zhì)量？

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去年，來自葡萄牙三所不同大學(xué)的六名研究人員決定調(diào)查這個(gè)問題，最終發(fā)布了一篇題為《編程語言的能效》的論文。他們在運(yùn)行用27種不同語言編寫的10個(gè)編程問題的解決方案時(shí)，監(jiān)測了每種語言使用的電量、速度和內(nèi)存使用情況。

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更具體的說，他們使用了計(jì)算機(jī)語言基準(zhǔn)游戲（Computer Language Benchmarks Game）的10個(gè)問題，這是一個(gè)用于比較性能的自由軟件項(xiàng)目，包括一組標(biāo)準(zhǔn)的簡單算法問題以及運(yùn)行測試的框架。（以前被稱為“大計(jì)算機(jī)語言對決”。）“這使我們能夠獲得一個(gè)可比較、有代表性且廣泛的程序集……以及編譯/執(zhí)行選項(xiàng)和編譯器版本?！?/p>

進(jìn)行各種基準(zhǔn)測試是重要的，因?yàn)樗麄兊慕Y(jié)果最終取決于執(zhí)行的測試。例如，總體上C語言被證明是最快且最節(jié)能的。但在涉及掃描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排在第三位。   

然而，即使在同一測試中，“最佳”語言也取決于你的標(biāo)準(zhǔn)。在該測試中，C也是第二快的語言（再一次排在Rust之后）。但如果按內(nèi)存使用情況排序，Rust下降了整整九位。而Fortran是該測試中第二節(jié)能的語言，但按執(zhí)行時(shí)間排序時(shí)也下降了六位。

更快的語言并不總是最節(jié)能的。

研究人員指出，他們“嚴(yán)格遵循”CLBG項(xiàng)目關(guān)于編譯器版本和最佳優(yōu)化標(biāo)志的指南。使用Intel的Running Average Power Limit工具測量功耗，每個(gè)程序不僅執(zhí)行一次，而是執(zhí)行了10次，“以減少冷啟動(dòng)和緩存效應(yīng)的影響，并能夠分析測量結(jié)果的一致性，避免異常值。”（因此，他們報(bào)告說，“測量結(jié)果相當(dāng)一致。”）為了增加一致性，所有測試都在運(yùn)行Linux Ubuntu Server 16.10（內(nèi)核版本4.8.0-22-generic）的臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行，配有16GB RAM和3.20GHz Haswell Intel Core i5-4460 CPU。

在他們的論文中，研究人員指出了一些有趣的結(jié)果。

“平均而言，Lisp消耗的能量是C的2.27倍（131.34J），執(zhí)行時(shí)間是C的2.44倍（4926.99ms），所需內(nèi)存是Pascal的1.92倍（126.64Mb）?！?/p>

他們還比較了編譯語言與解釋語言的結(jié)果（還有一個(gè)單獨(dú)的類別是運(yùn)行在虛擬機(jī)上的語言）。論文還包括了不同編程范式的比較——包括函數(shù)式編程和命令式編程，以及面向?qū)ο缶幊毯湍_本編程。

1.更快的語言是否更綠色？

論文仔細(xì)研究了一個(gè)常見的假設(shè)，即更快的程序總是使用更少的能量，指出這并不像物理定律那樣簡單：E（能量）= T（時(shí)間）x P（功率）。研究人員指出，這部分是因?yàn)楣β什皇且砸恢碌乃俾氏牡?，這可能影響了其他研究人員關(guān)于程序運(yùn)行時(shí)間是否影響能量消耗的工作。（“關(guān)于這個(gè)問題的結(jié)論有時(shí)會(huì)有所不同……”）在他們的一個(gè)基準(zhǔn)測試中，一個(gè)Chapel程序比一個(gè)等效的Pascal程序執(zhí)行時(shí)間減少了55%，但該P(yáng)ascal程序使用的能量卻少了10%。

因此，盡管人們普遍認(rèn)為程序運(yùn)行得更快能量消耗會(huì)減少，研究人員明確表示，“更快的語言并不總是最節(jié)能的?！?/p>

這可能是一個(gè)難以回答的問題，因?yàn)楣氖芏喾N因素的影響（包括編譯器的質(zhì)量和使用的庫）。但最終，研究人員甚至能夠根據(jù)功耗是由CPU還是DRAM消耗來分解能量消耗——得出結(jié)論，平均而言，無論基準(zhǔn)程序是編譯的、解釋的還是在虛擬機(jī)上運(yùn)行的，CPU消耗的功率大約占88%。

有趣的是，解釋語言顯示出比較大的變化，CPU有時(shí)消耗的功率高達(dá)92.90%，有時(shí)低至81.57%。

在研究結(jié)果后，研究人員還得出結(jié)論，DRAM峰值使用與能量消耗之間的關(guān)系“幾乎不存在”。

這項(xiàng)研究為一個(gè)長期存在的問題提供了一些見解：更快的語言是否更綠色？是的，事實(shí)是，“在前五個(gè)最節(jié)能的語言中，它們在按執(zhí)行時(shí)間排序時(shí)保持了它們的排名，且能量和時(shí)間值之間的差異非常小?！?/p>

實(shí)際上，對于10個(gè)基準(zhǔn)問題中的9個(gè)，最高得分（無論是速度還是能效）都來自于三種總體最快和最節(jié)能的語言之一——這并沒有讓研究人員感到驚訝。“眾所周知，這三種頂級語言（C、C++和Rust）被認(rèn)為是高度優(yōu)化且執(zhí)行性能高效的，正如我們的數(shù)據(jù)所示。”

但當(dāng)你按運(yùn)行時(shí)間對其他24種語言進(jìn)行排序時(shí)，你不會(huì)看到相同的順序，而按能效排序時(shí)也不會(huì)?！爸挥兴姆N語言在能量和時(shí)間排名中保持一致（OCaml、Haskell、Racket和Python），而其余的則完全被打亂?！?/p>

即使在單個(gè)基準(zhǔn)測試中，也有快速執(zhí)行的語言并不是最節(jié)能的情況。

2.編譯語言：又快又節(jié)能

還有其他有趣的結(jié)果。編譯語言“往往”是最節(jié)能和運(yùn)行最快的——他們的論文甚至可以用一個(gè)數(shù)字量化這一差異?！捌骄?，編譯語言執(zhí)行解決方案所需的能量為120J，而對于虛擬機(jī)和解釋語言，這一值分別為576J和2365J?！?/p>

研究人員在比較執(zhí)行時(shí)間時(shí)也應(yīng)用了同樣的精確度，得出結(jié)論，平均而言，“編譯語言需要5103ms，虛擬機(jī)語言需要20623ms，解釋語言需要87614ms。”

在這兩個(gè)類別中，前五名語言中的四個(gè)是編譯的。（例外是Java。）

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最慢的五種語言都是解釋的（interpreted）：Lua、Python、Perl、Ruby和Typescript。而消耗能量最多的五種語言也是解釋的：Perl、Python、Ruby、JRuby和Lua。

對于Google的新編程語言Carbon使用了多少能量，目前還沒有定論。

但與此同時(shí)，在使用正則表達(dá)式操作字符串時(shí)，五種最節(jié)能的語言中有三種是解釋語言（TypeScript、JavaScript和PHP），盡管在其他場景中它們往往不太節(jié)能。

編譯語言還占據(jù)了所需內(nèi)存空間最少的前五個(gè)位置。

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“平均而言，編譯語言需要125Mb，虛擬機(jī)語言需要285Mb，解釋語言需要426Mb，”研究人員報(bào)告說。與此同時(shí)，解釋語言占據(jù)了內(nèi)存空間消耗最多的五個(gè)位置中的四個(gè)：JRuby、Dart、Lua和Perl。（盡管Erlang不是一種解釋語言，但它也會(huì)出現(xiàn)在最底層五個(gè)位置中，介于Dart和Lua之間）。

“如果按其編程范式排序，命令式語言需要116Mb，面向?qū)ο笳Z言需要249Mb，函數(shù)式語言需要251Mb，而腳本語言需要421Mb?！?/p>

實(shí)際上，在比較不同的范式時(shí)，命令式編程往往表現(xiàn)最佳。其基準(zhǔn)程序平均使用的能量更少——運(yùn)行速度也更快——比面向?qū)ο?、函?shù)式和腳本范式的基準(zhǔn)程序。

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但需要考慮的因素有很多?！帮@然，不同的編程范式，甚至是同一范式內(nèi)的語言，對能量消耗、時(shí)間和內(nèi)存的影響完全不同，”研究人員寫道。然而，哪個(gè)因素最重要將取決于你的場景。（例如，后臺(tái)任務(wù)不總是需要最快的運(yùn)行時(shí)間。）

而且有些應(yīng)用程序需要考慮兩個(gè)因素——例如，能量使用和執(zhí)行時(shí)間。在這種情況下，“C是最佳解決方案，因?yàn)樗趩我荒繕?biāo)中都占優(yōu)勢，”研究人員寫道。如果你想節(jié)省時(shí)間同時(shí)使用更少的內(nèi)存，C、Pascal和Go“是等效的”——如果你關(guān)注所有三個(gè)變量（時(shí)間、能量使用和內(nèi)存使用），也是如此。但如果你只是想節(jié)省能量同時(shí)使用更少的內(nèi)存，你最好的選擇是C或Pascal。

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3.寫在最后

在論文的最后，研究人員補(bǔ)充說，進(jìn)一步的研究希望能夠檢查總內(nèi)存使用隨時(shí)間的變化是否與能量消耗更好地相關(guān)聯(lián)。

他們在網(wǎng)上共享了他們的數(shù)據(jù)，建議這可以讓未來的研究人員更容易比較.NET語言或JVM語言。對于使用移動(dòng)應(yīng)用程序、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)或其他從有限電源中汲取能量的應(yīng)用程序的開發(fā)人員來說，功耗是一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。

但最終，這項(xiàng)研究可能也會(huì)讓程序員們感到他們最討厭的東西：模糊性。研究人員報(bào)告說，如果你在尋找一種最好的編程語言，“這個(gè)問題沒有具體和最終的答案。

“盡管每個(gè)基準(zhǔn)中最節(jié)能的語言幾乎總是最快的那一個(gè)，但事實(shí)是，沒有一種語言始終優(yōu)于其他語言，”研究人員總結(jié)道?！笆褂靡环N語言的情況是確定該語言是否是最節(jié)能選擇的核心方面?！?/p>

參考鏈接：https://thenewstack.io/which-programming-languages-use-the-least-electricity/