编程操作需要多长时间？

Question

我们都可能从 Peter Norvigís 的文章《十年内自学编程》中看到这张表：

电脑动作	时间 [以纳秒为单位]
执行典型指令	1
从 L1 缓存 memory 获取	0.5
分支误判	5
从二级缓存 memory 获取	7
互斥锁/解锁	25
从主 memory 获取	100
通过 1Gbps 网络发送 2K 字节	20,000
从 memory 顺序读取 1MB	250,000
从新磁盘位置获取 [seek]	8,000,000
从磁盘顺序读取 1MB	20,000,000
将数据包从美国发送到欧洲并返回	150,000,000

问题是，我不知道这在现实世界中意味着什么。

你看，现在所有最流行的语言都非常抽象，你基本上不需要自己接触一块 memory。 我只知道“我输入了东西，计算机 go brrrrr”，或者“我输入了东西，计算机 go [TASK NOT RESPONDING] 然后 Z34D1F91FB2E514B8566FABrr1A75A”。 当您只知道函数和库并且唯一可用的时序信息以位和字节为单位时，优化很难。

我将理解我最终编写的每一行代码的 memory 含义，但现在，我想知道的是：

您的平均编程操作需要多长时间？

像：

• 读取和操作字符串，
• 创建基元，
• 比较两个基元，
• 比较两个对象（由于许多不同的实现，可能没有简单的答案），
• 迭代一个循环（我假设它属于“典型指令”），
• 将控制权转移到（或“调用”）方法/函数，
  • 与将所有内容放在一个方法中？
• 访问一个“列表”（而不是一个数组，我认为这也是一个典型的指令），
• 初始化 object，
  • 关于这一点，当 class 被实例化时，object 中包含的每个方法是否会导致运行时损失？
  • 超类中的方法是否会导致额外的运行时损失？
  • 原型 inheritance（如果在该语言中可用）是否比经典的占用空间少？
• 创建匿名类/更改现有函数（取决于语言）与完全创建新的 class，
  • 运行时占用空间与 Lambda 表达式（如果在该语言中可用）？
• 并创建一个从方法中读取值的新变量，而不是不断地读取相同的方法？
  • 例如int foo = bar.getValue(); if (foo == 0 || foo == 1)... int foo = bar.getValue(); if (foo == 0 || foo == 1)...
  • 与if (bar.getValue() == 0 || bar.getValue() == 1)...

我也对其他语言的含义感兴趣——也就是说，如果某些语言在某些任务上比其他语言更好。 例如，我知道与 Java 之类的语言相比，JS 中的数组操作很糟糕，而且我想在 lisp 之类的语言中更改函数会容易得多，那么在某些语言中哪些操作会比其他语言更有效？

谢谢！

Answer 1

一方面，数字是有问题的。 我会这样纠正：

• 执行典型指令：0.5ns
• 从 L1 缓存 memory 获取：2ns
• 分支误判：20-50ns
• 从二级缓存中获取：6ns
• 互斥锁/解锁：无竞争时为 2-5ns，拥塞时为 150ns，即当其他 CPU 内核竞争互斥锁时。 这是访问最近被另一个 CPU 内核修改的缓存行的成本，这些缓存一致性协议很慢。

其中的 rest 或多或少是正确的，尽管 SSD 将磁盘延迟提高了几个数量级。

现在回到你的问题。 有 3 组语言/运行时。

1. 编译为本机代码，如 C++ 或 Golang。 通常但并非总是如此，这是可用的最快选项。

2. 解释，像大多数 Lua 和 Python 实现。 解释器在设计上很慢，但是其中许多调用了许多本机函数。 对于这些东西，成本接近本机代码，没有用于间接跳转和编组 arguments / 返回值的少量开销。 例如，如果您编写并测试读取和操作大量字符串的 python 代码，则可以肯定 Python 运行时将调用本机代码，如果您使用内置方法操作它们，将会非常快。

3. 及时编译，如 Java、.NET 或现代 JavaScript 实现。 这些变化很大。 最佳 C# 或 Java 实现接近本机代码的性能。 JavaScript 通常不会，因为该语言是动态类型的，并且很难从中生成快速代码。

读取和操作字符串

如果一个字符串需要 1MB，那么在你的表中读取它就是“从内存中顺序读取 1MB”。 操作会有所不同，具体取决于您对它们的确切操作。

创建基元

如果您的意思是定义一个局部变量，对于使用本机堆栈的语言（所有编译的，以及其他一些如 C#），成本是“执行典型指令”。 对于只使用堆的语言，成本是 malloc()，稍微贵一些。

比较两个原语

对于强类型语言“执行典型指令”，对于动态类型“间接跳转”。

比较两个对象

变化很大。 比较指针是“执行典型指令”。 比较值，取决于值，可能会非常昂贵。

迭代一个循环

事实上，对于大多数语言来说，这是典型的指令，但是其中一些有时可以在长循环中更快地做到这一点，使用自动矢量化或引擎盖下的并行化。

将控制权转移到（或“调用”）方法/函数

一方面，许多语言可以根据需要和可能的情况自动内联。 否则，function 或非虚拟方法的成本是一些典型的指令。 对于虚方法可以更多。 当预测时（您在循环中多次调用相同的虚拟方法，并且每次都解析到相同的代码位置）大致相同，当未预测“分支错误预测”的成本时

访问“列表”

无法回答，因为不同运行时库中的实现方式差异太大。 在 Java 或 C# 等语言中，列表由数组支持并共享性能特征。 如果您的意思是依赖于缓存的“链表”，在最好的情况下，每个元素“从 L1 缓存中获取”，在最坏的情况下，“从主内存中获取”每个被访问的元素。

初始化 object

取决于太多的事情。 在某些情况下甚至可以免费。

实例化 class 时，object 中包含的每个方法是否会导致运行时损失？

在大多数语言中，没有。 在非常动态类型的语言中可以是“是”，即使 Python 不够动态，JavaScript 可能是。

问题的 rest 过于依赖特定的语言/运行时。 也在你的代码上。 如果编译器可以推断出具体的实现，许多 C++ 编译器可能会去虚拟化方法调用。 如果您的getValue方法只返回一个字段而不是计算事物，大多数编译器/运行时/解释器将内联调用，这两个版本将生成等效代码。