プログラミング言語の優れた概要テスト

最近、私は再び2学期の分野「アルゴリズム言語」の2年生と協力しました。 数十のプログラミング言語をレビューしました。 生徒の一人であるVadim Shukalyukは、彼らのことをより明確に把握するために、彼らをよりよく知りたいと思っていました。 彼は彼に少し研究をするように助言した。 よりも流されました。 私は彼と一緒に数ヶ月にわたって行われた仕事についての私のレポートを提案します。

各プログラミング言語には、長所と短所があります。 任意の言語の翻訳者の最も重要な特徴の1つは、プログラムの実行速度です。 この実行速度を正確に見積もることは非常に困難であり、不可能です。 リソースhttp://benchmarksgame.alioth.debian.org/は、さまざまなタスクでこの速度を確認するためのゲームフォームを提供しています。 しかし、このリソースで表される言語の数はかなり少ないです。 再帰計算の重要な値であるスタックの最大容量は確認しやすいですが、トランスレータのバージョンによって異なり、システム設定に依存する場合があります。

次のトランスレーターがテストされました：C（gcc、clang、icc）、アセンブラー（x86、x86-64）、Java（OpenJDK）、Pascal（fpc）、JavaScript（Google Chrome、Mozilla Firefox）、Lisp（sbcl、clisp）、Erlang、 Haskell（ghc、抱擁）、dino [1]、auk（gawk、mawk、busybox）、lua、ruby、basic（gambas、libre office）、python-2、p-hi-p、postscript（gs）、prolog（ swipl、gprolog）、pearl、metapost、T _E X、tickle、bash。 いくつかの小さな、しかし時間のかかるアルゴリズムの実際の実行速度と、次の両方を調査しました。

• 一部の翻訳者の品質最適化;
• IntelおよびAMDプロセッサーを使用する場合の機能。
• 再帰呼び出しの数を制限します（スタック容量）。

すべての翻訳者がテストされた最初のタスクとして、定義に従った二重再帰によるフィボナッチ数の計算が選択されました。1と2の数字は単位であり、後続の数字は前の2つの数字の合計です。 このアルゴリズムにはいくつかの魅力的な機能があります。

1. n番目の数値の計算時間がtの場合、（n + 1）番目はt *φです。ここで、φは（√5+ 1）/ 2に等しい黄金比です。
2. 自己計算されたneは、最も近い整数φn /√5に切り上げられた値に等しくなります。
3. fib（n + 1）を計算するには、呼び出しのn番目のネストが必要です。

最初の機能により、翻訳者のテストを短時間で行うことができ、その速度は数十万回異なります。 2番目の機能を使用すると、計算の精度をすばやく確認できます。 3番目の機能では、理論的にはスタックの容量を調査できますが、スーパーコンピューターでもn> 50での計算が非常に遅くなるため、この機能を使用することは事実上不可能です。

次の表1の2番目の列は、言語の名前、コンパイラーの名前とそのバージョン、および使用されている場合は生成されたコードを最適化するオプションを示しています。 3列目は、AMD Phenom II x4 3.2 GHzプロセッサでの相対的な計算時間を示しています。 テストはAMD FX-6100で同じ頻度で実施されましたが、結果は与えられたものと大差ありません。 ユニットはbash言語で計算時間を要するため、アーランジ計算はbashより約20,000倍高速です。 4列目は、Intel Core i3-2100 3.1 GHzプロセッサーでの相対的な計算時間を示しています。 プロセッサの比較は調査の目的ではなかったため、一部の翻訳者はIntelプラットフォームでテストされていませんでした。 5番目に、システムスタックサイズ（ulimit -s）が8192 KBの8 GBのRAMを搭載したコンピューターでack（1,1、n）を計算するときに、トランスレーターがサポートする再帰呼び出しの最大数の上限（10％の精度）。 一部の翻訳者は、使用するスタックのサイズを決定する独自の設定を使用します-選択したバージョンの翻訳者のデフォルト値が常に使用されます。 測定はLinuxシステムで実行されましたが、別のOSに移行しても結果は変わらないはずです。 データは列3でソートされます。 すべてのソースはここで表示できます 。

表1

N	言語	AMD	Intel	スタック
1	C / C ++（gcc 4.7.2、-O5）	354056	493533	790000
2	C / C ++（clang 3.0-6.2、-O3）	307294		270000
3	C / C ++（icc 14.0.3、-fast）	250563	232665	530000
4	アセンブラーx86-64	243083	271443	350,000
5	アセンブラーx86	211514	301603	700,000
6	Java（OpenJDK 1.7.0_25）	186401	239659	8000
7	パスカル（fpc 2.6.0、-O3）	170604	186401	180,000
8	C / C ++（gcc 4.7.2、-O0）	159672	173261	180,000
9	C / C ++（clang 3.0-6.2、-O0）	146726		110000
10	C / C ++（icc 14.0.3、-O0）	136862	156602	530000
11	Javascript（Mozilla Firefox 25）	121979		4200
12	Javascript（Google Chrome 31）	92850		10,000
13	Lisp（sbcl 1.0.57）	54925	51956	31000
14	アーラン（5.9.1）	19845	18589	制限なし
15	Haskell（ghc 7.4.1、-O）	18589	22946	260,000
16	Awk（mawk 1.3.3）	6621	6306	44000
17	ルア（5.2）	6420	7075	150,000
18	ルビー（1.9.3）	5297	6969	6600
19	ディノ（0.55）	5024	6420	190000
20	基本（Gambas 3.1.1）	3968	4373	26000
21	Python（2.7.3）	3678	4013	1000
22	PHP（5.4.4）	2822	3720	制限なし
23	Awk（gawk 4.0.1）	2648	2547	制限なし
24	ポストスクリプト（gs 9.05）	2355	3246	5000
25	プロローグ（swipl 5.10.4）	1996	2407	2,300,000
26	Perl（5.14.2）	1516	1670	制限なし
27	プロローグ（gprolog 1.3.0）	1116	1320	120,000
28	Lisp（クリップ2.49）	998	1023	5500
29日	Awk（busybox 1.20.2）	981	1113	18000
30	T E X（3.1415926）	239	333	3400
31	メタポスト（1.504）	235	470	<4100
32	Tcl（8.5）	110	123	1000
33	ハスケル（抱擁98.200609.21）	82	121	17000
34	基本（LibreOffice 3.5.4.2）	20	35	6500
35	bash（4.2.37）	1	0.77	600

フォームのアッカーマン関数は、すべての算術演算がそれに削減されるとき、2番目のタスクとして選択されました。つまり、ack（1、x、y）= x + y、ack（2、x、y）= x * y、ack（ 3、x、y）= x ^y 、ack（4、x、y）はxとyの四等分です。



この関数は、nの増加とともに非常に急速に成長します（数値ack（5,5,5）は非常に大きいため、この数値の桁の数は、宇宙の観測された部分の原子数よりも何倍も大きいです）が、非常に遅いと考えられています。 後者のプロパティは、パフォーマンスのテストに理論的に便利です。 ただし、この関数の計算にはかなりの数の再帰呼び出しが必要であり、テストされたほとんどの言語では、顕著な持続時間を持つ計算に対してそれらをサポートできませんでした。 この関数の計算を反復に減らすことはできないことが知られています。 この問題の計算により、調査した言語のスタックの最大容量を調査することができました。ack（1,1、n-1）の計算には、呼び出しのn番目のネストが必要で、非常に高速です。 次の表2は、スタックが耐えることができた言語（呼び出し65539の入れ子）のペネテーションack（5,2,3）の計算結果を示しています。 速度の単位では、-O5オプションを使用したgccの動作時間が選択されました。つまり、phpは約420倍遅くなります。

表2。

gcc -O5	1
asm x86	2.15
icc -fast	2.18
asm x86-64	2.36
clang -O3	2.76
fpc -O3	4.44
gcc -O0	7.75
icc -O0	8.36
clang -O0	9.64
アーラン	18.51
ghc -O	50.18
ルア	122.55
php	423.64
ガック	433.82
スイプル	766.55
恐竜	915.64

上記の2つのタスクを使用するというアイデアは、B。V. KerniganとR. Pikeの「Unix-ユニバーサルプログラミング環境」の仕事から借りたもので、そこではホック言語のテストに使用されました[2]。

もちろん、主に標準ライブラリの手段を使用したより複雑な計算では、翻訳者の速度の差ははるかに小さくなります。

時間は標準時間コマンドで測定され、不可能な場合（javascript、office basic）、言語に組み込まれたツールが使用されました。

研究の結果によると、以下の結論が出されましたが、その一部はやや予想外でした：

1. アセンブラーのプログラムの速度は、最大限の最適化でコンパイルされたC / C ++のプログラムよりも50％以上遅くなる可能性があります。
2. バイトコードを使用した仮想Javaマシンの速度は、多くの場合、高水準言語の翻訳者が受け取ったコードを使用したハードウェアの速度を上回ります。 Javaマシンの速度は、アセンブラーと最適な最適化トランスレーターに比べて劣っています。
3. 人気のあるブラウザーでのjavascriptのプログラムのコンパイルと実行の速度は、最高の翻訳者に比べて2〜3倍だけ低く、一部の高品質のコンパイラーをも上回ります。プログラム実行速度の点では、他のスクリプト言語などのほとんどの翻訳者を確実にはるかに上回る（10倍以上）;
4. IntelのC言語コンパイラによって生成されたコードの速度は、GNUコンパイラ、場合によってはLLVMの速度よりも著しく遅いことが判明しました。
5. アセンブリx86-64コードの速度は、類似のx86コードの速度よりも約10％遅くなる場合があります。
6. コードの最適化は、Intelプロセッサでより適切に機能します。
7. Lisp、Erlang、Auk（gawk、mawk）、およびBash言語を除き、Intelプロセッサでの実行速度はほぼ常に高速でした。 キャッシュの速度の違いは、実際のトランスレータやハードウェアではなく、テスト対象のシステムの異なる環境設定が原因である可能性があります。 Intelの利点は、特に32ビットコードで顕著です。
8. テストされたほとんどの言語、特にJavaとJavascriptのスタックは、非常に限られた数の再帰呼び出しのみをサポートします。 一部のトランスレーター（gcc、icc、...）では、ランタイム環境またはパラメーターの変数を変更することにより、スタックのサイズを増やすことができます。
9. 考慮されているgawk、php、perl、bashのバージョンでは、すべてのコンピューターのメモリを使用できる動的スタックが実装されています。 しかし、perlと、特にbashはスタックを非常に広範囲に使用するため、8〜16 GBではack（5,2,3）を計算するには不十分です。 バージョン5.4.20では、phpスタックは約200,000回の呼び出しに制限されていました。

結論として、プログラミングの技術を習得し始めた学生からのいくつかの言葉。

任意の言語で必要な計算用のプログラムを作成するには、まず特定の言語で変数が宣言される方法、if-else型の構造を構築する方法、および再帰を整理する方法を理解する必要があります。 単純な言語Pascalを使って仕事を始めました。当時は誰よりもそれをよく知っていたからです。 Pascalの後、構文がだいたい似ているので、C、Java、Dinoを使いました。 Cは非常に興味深く、シンプルであると同時に、直感的な演算子を備えていることが判明しました。 JavaはC / C ++よりも便利ではないように思われます-あなたは多くの無関係なことを書く必要があります。 また、同じクラス名とファイル名が必要になる瞬間に負担をかけました。 Haskellは肯定的な感情のみを残しました。 便利で、明確で強力です。 Webアプリケーションを開発するための言語であるPHPは、Cに非常に似ています。最小限の変更でCコードを挿入するだけで、すべてが正常に機能します。 Erlangの構文はHaskellに似ており、Prologにも少し似ています。 また、非常に快適で理解しやすい言語であり、困難は生じませんでした。 JavaScript構文はJavaまたはCに似ています。OfficeバージョンとGAMBASバージョンの両方のVisual Basicは、やや角度があり不便な構文を持っていますが、一般的にはそれほど難しくありませんでした。 次に、CとJavaの基本的な構文の知識を習得した後、PythonはCに似ているため、Pythonコードを非常に迅速に記述することができました。Luaとそのかなり強力で柔軟な構造では問題は発生しませんでした。 また、AwkはCと同様の構造を持ち、すぐにそれを圧倒しました。 Lispでは、たとえば接頭辞表記法の基本的な理解でC言語に似た言語を以前に研究したことがある人のように、いくつかの困難が生じました。 これは、わずかな開発コストの後、非常に便利で、論理的で、美しいように見えました。 その後、論理プログラミング言語であるPrologに切り替えました。Prologは具体的でしたが、非常に興味深く、基本的なものでした。 Ruby-オブジェクト指向プログラミングを強力にサポートし、アイコンに非常に美しい明るい赤ルビーを備えた言語は、優れた言語であることが判明しました。余分な括弧、セミコロン、その他の不要な文字はありません。 最も記憶に残るものの一つ。 OOP設計を除き、Pythonも同様に簡潔です。 Perl-「真珠」という名前が付けられていますが、ラクダは舌のシンボルです。これは、ラクダがあまり美しくないが、ハードワークを実行できる非常に丈夫な動物であるという事実への参照です。 Rubyの後にドル、カッコ、セミコロンを再び置くことはあまり良くありませんでした。 一部の場所の構文は、ターミナルシェル言語のBashの構文に似ています。 その後、アセンブラーを取り上げました。 特定の困難があり、プロセッサとそのレジスタを理解する必要がありました。 Cがアセンブラーであるマシンコードよりも高速に計算を処理することが判明したとき、サプライズは限界を知りませんでした！ Bashには問題はありませんでしたが、多額のドルを賭け、計算と括弧を使う必要がありました。 Metapost / Metafont言語はいくつかの問題を引き起こしました-そこにサポートされているのは数字のみで、4096以下です。その構文は非常に伝統的ですが。 Tickle（TCL）にもかなり伝統的な構文がありますが、行指向です-このセマンティクスとbashのようなセマンティクスは、最初は非常に混乱していました。 PostScriptは最も難しいように見えました。 この言語の構文は非常に具体的であり、準備なしでは直感的に何も書くことができないため、関連する文献を研究し、最も単純なプログラムでトレーニングを開始する必要がありました。 PostScriptは実際のテストでした。RubyとCのすべてのツールと機能に慣れた後、スタックのみを使用して二重再帰接尾辞を記述するのは問題がありました。 ポストスクリプトでアッカーマンの機能を書いてテストすることは、歯ブラシで壁を塗ろうとするようなものです。 しかし、複雑さの点で最初の場所は間違いなくT _E Xで占められています。これ以上難しいものは見ていません。 そして、教師の直接の助けがなければ、この言語を克服することは不可能でしょう。

好奇心は言語のスタックのサイズに関するデータでした。 言語のスタックが大きいほど、Ackermanの機能に対応できる可能性が高くなります。 しかし、ある言語のプログラムがack（5,2,3）の計算に対処できなかった場合、これはその言語が悪いと不快であることを意味しません。 この言語は、MetapostやPostscriptなどの他の便利な目的のために作成される可能性があります。

一般的に、この作品は非常に興味深く、非常に認知的でした。たとえば、20の異なる方法で同じ論理的な順番を書いています。 また、スタックと3つの操作（スタックの追加、削除、スクロール）のみを使用して、プロセッサレジスタの動作原理を理解し、二重再帰関数を記述すると、視野が大きく広がりました。

彼の学生の結論のいくつかは、教師にはあまりにもカテゴリー的であるように見えたが、彼は自分の結論と比較してそれらをより新しいものに保つことに決めた。

---

[1]-ロシアで開発されたプログラミング言語 。 現在、その著者はRed Hatの従業員であり、gccコンパイラのコレクションの改善に取り組んでいます。 dinoの最新バージョンは2007年にリリースされました。
[2]-この言語もテストされ、mawkとghcの間で速度の結果が示されました。