哪种编程语言又快又省电?架构也要节能环保

现在各行各业大家都在提倡生态节能环保,突发奇想,我们用的编程语言哪个更加环保嫩?

在手机快没电时,管理软件往往会提醒我们关掉某些耗电量高的应用。可见,除了硬件厂商外,软件厂商也应该重视能耗问题。

当能耗也成为了一个重要指标,我们要怎么选择编程语言?2017 年,由 6 名葡萄牙研究者组成的团队决定对这一问题进行调查并发表了一篇名为《Energy Efficiency Across Programming Languages》的论文。他们用 27 种语言写出了 10 个问题的解决方案(遵循同样的算法),然后运行这些方案,记录每种编程语言消耗的电量以及速度和内存使用情况,得到的排序结果如下图所示:

编程语言节能环保

具体而言,研究者使用了来自 Computer Language Benchmarks Game(一个用于比较性能的免费软件项目,其中包含一组标准的算法问题和用于运行测试的框架)的 10 个问题,使得研究更有可比性和代表性。

运行各种基准测试非常重要,因为它们的结果会由于所执行的测试而有所不同。例如,总体而言,C 语言被认为是最快的,也是最节能的。但是在涉及扫描 DNA 数据库中特定基因序列的基准测试中,Rust 是最节能的,而 C 语言位居第三。

研究人员总结出,无论是编译型语言、解释型语言还是虚拟机,其实大部分能量(平均 88% 左右)是由 CPU 消耗的。

在对实验结果分析研究之后,研究者还得出结论:DRAM 的峰值使用量与能耗之间「几乎没有关系」。该研究为一个长期存在的问题提供了答案:「速度更快就更环保吗?」是的,的确是这样,在按照执行时间进行排序时,前 5 种最节能的语言依然排在前 5 名,而且在能量和时间值方面的差距很小。

编译型语言似乎是最节能和运行最快的语言,作者甚至可以在论文中用数字量化这种差异。

平均而言,编译语言需要花费 120J 能量来运行解决方案,而虚拟机和解释型语言要分别花费 576J 和 2365J。

在比较执行时间时,研究者也采用了相同的精度,得出的结论是:平均而言,编译语言花费 5103 毫秒,虚拟机语言花费 20623 毫秒,解释型语言花费 87614 毫秒。

5 种最慢的语言都是解释型语言:Lua、Python、Perl、Ruby 和 Typescript。5 种能耗最多的语言也都是解释型语言:Perl、Python、Ruby、JRuby 和 Lua。 但同时,在使用正则表达式操作字符串时,5 种最节能的语言中有三种(TypeScript、JavaScript 和 PHP)是解释型语言。尽管在其他情况下,它们往往不是很节能。

编译型语言在占用内存最少的排名中也占据了前 5 名。

研究者称:「平均而言,编译语言需要 125Mb,虚拟机语言需要 285Mb,而解释语言则需要 426Mb。」具体来说,有 4 种解释型语言在这项排名中垫底,这意味着它们消耗了最多的内存空间。

「如果按照它们的编程范式进行排序,命令式语言需要 116Mb,面向对象语言需要 249Mb,函数式编程语言是 251Mb,脚本需要 421Mb。」 实际上,当比较不同范式时,命令式编程通常排在首位。与面向对象、函数式以及脚本范式的基准程序相比,命令式编程的基准程序平均使用的能源少得多,运行速度也更快。

但是有很多因素需要考虑。研究者称「很显然,不同的编程范式,甚至同一范式中的语言对能耗、时间、内存的影响也完全不同」。但是,其中哪一个因素最重要取决于你自己的需求情况(例如,后台任务并不总是需要最快的运行时间)。

某些应用程序需要同时考虑两个因素,如能耗和执行时间。研究者称:「在这样的情况下,C 语言是最佳的解决方案,因为它在这两个方面都很有优势。」如果你想在节省内存的同时节省时间,那么 C 语言、Pascal 和 Go 语言都可以。如果你正在观察 3 个变量(时间、能耗和内存使用情况),那么结论也是一样的。但是,如果你只是想在使用更少内存的同时节省能源,那么最好的选择是 C 语言或 Pascal。

其实整个系统架构在设计期初和不断更新完善的过程我们都需要考虑节能环保和效率,同时也希望大家都能写节能环保的代码。

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