|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Lee Teschler 過(guò)去，在微處理器芯片剛剛問(wèn)世的黑暗時(shí)代，工科大學(xué)生往往是在 DEC PDP-11 小型計算機等機器上首次嘗試正經(jīng)的計算機編程。除了盡力編寫(xiě)能夠在 PDP-11 上正確運行的程序外，當時(shí)的學(xué)生還必須保證他們編寫(xiě)的代碼緊湊。在早期計算機課程中，有一種情況會(huì )激怒老師，那就是提交一個(gè)本來(lái)用 15 行代碼就可以完成的 20 行匯編碼程序。他們出現這樣的反應當然不是沒(méi)有理由，因為當時(shí)的內存非常昂貴。PDP-11 的讀/寫(xiě)存儲器通常只能存儲 4,096 個(gè) 16 位字，該存儲器由 22 密耳磁芯組成，這些磁芯通過(guò)導線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。 
Digital Equipment Corporation (DEC) 的 PDP-11 計算機。（圖片來(lái)源：flickr） 時(shí)至今日，您會(huì )發(fā)現編程課程仍然強調代碼緊湊的重要性。但有跡象表明，編程課程可能很快就不再只是要求編寫(xiě)緊湊代碼，而是還會(huì )要求編寫(xiě)能耗最低的軟件。 計算機代碼能效曾經(jīng)是一個(gè)小眾話(huà)題。以前主要是小型嵌入式系統的程序員對其感興趣，因為在這類(lèi)系統中，必須關(guān)注 MCU 的功耗，目的是最大限度地延長(cháng)供電紐扣電池的壽命�，F如今，軟件能效正在占據主流。越來(lái)越多的智能手機用戶(hù)避免使用計算密集型應用程序，只為了多節省一點(diǎn)電量。甚至基于云的系統也會(huì )注重軟件能效，因為它會(huì )影響數據中心的碳排放。 乍看之下，您可能會(huì )覺(jué)得緊湊代碼已經(jīng)很節能。事實(shí)證明，這條經(jīng)驗法則有時(shí)正確，但并非總是如此。此外，計算機程序的能效通常取決于編寫(xiě)程序所用的語(yǔ)言。編譯語(yǔ)言比解釋語(yǔ)言或編寫(xiě)虛擬機的語(yǔ)言更節能。但即使看似相互關(guān)聯(lián)的編譯語(yǔ)言，能效也可能存在很大差異。 葡萄牙的研究人員深入分析了能源、時(shí)間和內存使用與節能編程之間的關(guān)系 (https://dl.acm.org/doi/10.1145/3136014.3136031)。他們分析了 27 種軟件語(yǔ)言的能效性能。為此，他們使用了最先進(jìn)的編譯器、解釋器和虛擬機，并觀(guān)察了運行 13 個(gè)不同程序時(shí)發(fā)生的情況，利用這些程序比較了廣泛使用的算法采用各種常用編程語(yǔ)言時(shí)的實(shí)現情況。 例如，用某個(gè)基準程序計算系統中多個(gè)粒子之間相互作用所需的時(shí)間。用另一個(gè)基準程序分配和釋放大量二叉樹(shù)。再用一個(gè)基準程序更新哈希表，并用該表來(lái)計算特定的 DNA 核苷酸序列。 研究人員發(fā)現，人們往往誤以為軟件的能耗與執行時(shí)間成正比：運行越快一定越好。由此認為，縮短程序的執行時(shí)間將會(huì )減少相同比例的能耗。但這種關(guān)系并不一定這么簡(jiǎn)單，因為能耗是所用功率與持續時(shí)間的乘積。因此，如果更快的程序在執行時(shí)功耗更高，則其不見(jiàn)得能效更高。 最終，研究人員在幾個(gè)實(shí)例中發(fā)現，編程語(yǔ)言的能耗排名與其執行時(shí)間的排名并不相同。例如，在涉及隨機 DNA 序列生成和寫(xiě)入的基準測試中，Fortran 被證明是能效第二高的語(yǔ)言，但它在執行時(shí)間方面卻排在第八位。在計算二叉樹(shù)時(shí)，Pascal 和 Chapel 語(yǔ)言的能耗相差在 10% 以?xún)�，�?Chapel 的執行時(shí)間卻少了約 55%。 研究人員的一些結論并不令人驚訝。其中一項發(fā)現是：總體而言，C 語(yǔ)言最快且最節能（57 J，平均執行時(shí)間為 2,019 毫秒）。在 C 語(yǔ)言之后，執行基準測試所需能量和時(shí)間最少的四種語(yǔ)言分別是 Rust（59 J，2,103 毫秒）、C++（77 J，3,155 毫秒）、Ada（98 J，3,740 毫秒）和 Java （114 J，3,821 毫秒）。正如您所料，編譯語(yǔ)言比解釋語(yǔ)言或虛擬機語(yǔ)言更節能。編譯程序執行解決方案平均消耗 120 J，而虛擬機和解釋語(yǔ)言分別消耗 5,760 J 和 2,365 J。 毫無(wú)意外，能效和執行時(shí)間排在末位的五種語(yǔ)言均為解釋語(yǔ)言：能耗方面：Perl (4,604 J)、Python (4,390 J)、Ruby (4,045 J)、JRuby (2,693 J) 和 Lua (2,660 J)；執行時(shí)間方面：Lua (16,7416 毫秒)、Python (14,5178 毫秒)、Perl (13,2856 毫秒)、Ruby (119,832 毫秒) 和 TypeScript (93,292 毫秒)。 研究人員還指出了大部分耗散能量的去向�；� CPU 的能耗始終占所消耗能量的大多數。平均而言，無(wú)論編譯語(yǔ)言、解釋語(yǔ)言還是虛擬語(yǔ)言，CPU 能耗幾乎都高達 90%，其余為 DRAM 能耗。 總而言之，葡萄牙研究人員認為，如果開(kāi)發(fā)人員只考慮執行時(shí)間和能耗，那么確定最佳軟件語(yǔ)言相對容易。但是，如果考慮內存使用因素，則無(wú)法不假思索地做出選擇。 因此，對于地球來(lái)說(shuō)有一個(gè)好消息：可以通過(guò)優(yōu)化軟件來(lái)提高能效。對于學(xué)習編程的學(xué)生而言有一個(gè)壞消息：現在，您不僅會(huì )因為提交的程序不夠緊湊而讓編程老師不悅，程序的能效低也會(huì )有同樣的結果。 |
