精簡程式碼與高能效軟體

過去，在微處理器晶片剛問世的黑暗時代中，工科大學生一般都是在 DEC PDP-11 微型電腦上，首次實際嚐到編寫電腦程式的滋味。除了嘗試編寫可實際在 PDP-11 正確執行的程式以外，那時的學生還必須讓程式碼精簡化。在早期電腦課程中，若你用 20 行寫出一個 15 行就能搞定的組合語言程式碼，交到老師手上的時候，他的臉色一定很難看。他們會有這樣的反應當然不是沒理由的，因為當時的記憶體相當昂貴。PDP-11 的讀／寫記憶體中通常只有 4,096 個 16 位元字，而記憶體則是由 22 mil 的磁芯所組成，並以導線加以存取。

Digital Equipment Corporation (DEC) 的 PDP-11 電腦。(圖片來源：flickr)

時至今日，你會發現程式設計課程仍要求程式碼精簡化。但是種種跡象顯示，這些課程很快就不僅會要求程式碼精簡化，還會要求軟體盡可能達到最低能耗。

電腦程式碼的能源效率課題，在過去只有少數人關心。這主要是小型嵌入式系統程式設計人員關注的事項，因為在這類系統中，他們必須持續關注 MCU 的功率耗散，以便讓提供電力的鈕釦型電池達到最大續航力。現在，軟體能效也成為關注焦點。智慧型手機使用者為了讓手機電池發揮更長續航力，逐漸避免使用 CPU 密集的應用程式。即使是雲端系統也會注意軟體能效，因為這會對資料中心的碳排放量造成影響。

乍看之下，你可能會猜想，精簡的程式碼已經可以減少能耗。事實證明，此經驗法則有時候有用，但有時不可行。此外，電腦程式的能效通常取決於編寫的程式語言。比起直譯式語言或編寫虛擬機器的語言，編譯式語言的能效更高。但是，即使各種編譯式語言之間看似相關，能效也可能有很大的差異。

葡萄牙的研究人員針對能源、時間與記憶體的使用，研究其與程式設計能效之間的關係 (https://dl.acm.org/doi/10.1145/3136014.3136031)。研究人員分析了 27 種軟體語言的能效表現。為此，他們使用最先進的編譯器、直譯器和虛擬機器，並觀察執行 13 種不同程式時所發生的情況；會以常用的演算法，比較其在多個常見的程式語言中的實作情況為何。

比如說，有個基準程式會計算系統中多個粒子之間相互作用所需的時間；另一個則負責分配和解除分配大量二元樹；第三個則會更新一個雜湊表，並用來計算特定的 DNA 核苷酸序列。

研究人員發現，人們往往誤以為軟體的耗能與執行時間成正比，也就是說「執行越快一定更好」。因此，減少程式執行時間，就會以同樣的比例降低能耗。但這種關係不一定只是因為消耗的能量，是使用的功率和持續時間的乘積而已。因此，若程式在執行過程中消耗更多電力，則速度更快的程式未必更高能效。

所以，研究人員在幾個實例中發現，程式設計語言的能源消耗排名，與執行時間的排名不同。例如，在涉及產生和寫入隨機 DNA 序列的基準程式中，Fortran 是第二高能效的語言，但在執行時間上卻排名第八。在計算二元樹時，Pascal 和 Chapel 語言的耗能彼此相差 10% 以內，但 Chapel 的執行時間大約減少了 55%。

研究人員得到一些結論，結果並不令人意外。其中一個發現是：整體而言，C 語言是最快且能效最高的語言 (57 J，平均執行時間為 2,019 ms）。排在 C 語言之後，執行基準程式耗費最少能量和時間的前四種語言是 Rust (59 J、2,103 ms)、C++ (77 J、3,155 ms)、Ada (98 J、3, 740 ms) 和 Java (114 J、3,821 ms)。也許你已經心裡有數了，編譯式語言比直譯式語言或虛擬機語言具備更高的能效。編譯程式執行解法的平均耗能為 120 J，而虛擬機器和直譯式語言則分別耗用 5,760 J 和 2,365 J。

因此在能效和執行時間方面，墊底的五種程式語言，都是直譯式。能效層面：Perl (4,604 J)、Python (4,390 J)、Ruby (4045 J)、JRuby (2,693 J) 和 Lua (2,660 J)；時間層面：Lua (16,7416 ms)、Python (14,5178 ms)、Perl (13,2856 ms)、Ruby (119,832 ms) 和 TypeScript (93,292 ms)。

研究人員也指出大部分耗散能源的流向。CPU 方面的能源消耗，始終是最大宗。平均而言，CPU 消耗了將近 90% 的能源，其餘能源則由 DRAM 耗盡，且無論是編譯式、直譯式還是虛擬語言，全都是如此。

綜上所述，葡萄牙研究人員指出，如果開發人員只關心執行時間和耗能，那麼最佳的軟體語言便能高下立判。但如果將記憶體使用量納入考量，結果就未必如此。

因此，對地球來說有一個好消息：透過軟體最佳化提高能效是可行的。但是，對於學習程式設計的學生來說，則有個壞消息：如果你不想看到老師擺出一副難看的臉色，現在你交的程式不但要精簡，還得具備高能效才行。