代码中的无形性能损耗
最近研究了代码底层的一些实现机制，发现很多“真相”，总结了一下，形成本文。下面有点瞎扯（扯完我也不知道要给大家强调什么）如有不同意见，欢迎大家拍砖。
1、编程语言本身带来的损耗
Java语言编写的程序(class文件），程序需要首先运行java虚拟机（先运行java.exe，建立java虚拟机，加载、验证、准备、解析和初始化class等一系列步骤），然后才能运行你的main方法。
同样.net平台运行的程序也一样，另外新兴的ruby,Scala等也是运行在Java虚拟机上面的，所以肯定也存在这样的问题。
这些语言还有另外一个问题，就是这些语言属于解释性语言。尽管有git技术的加速，但仍然逃脱不了其天生的劣势。运行速度和编译性语言相比，还是差不少的。尤其是像JS(Javascript)中这种语言，单线程执行，当一个网页包含的js过多时，会出现客户端无响应的问题。这种情况直到出现chrome浏览器和IE8之后，问题才得到缓解。
2、语言本身插入的"通用代码"
下面几行简单的c代码
|
int main(void){ return 0; } |
编译成可执行文件（linux64 OS)后，竟然多出12个函数代码（需要查看汇编指令）。也就是说为了运行你的一句return 0，系统需要在你的代码前和代码后面执行多达12次调用。
其实这种情况很普遍，我就拿我很熟悉的Java语言为例，为了支持gc，jvm需要在你的Java代码中种植很多安全点，以方便在gc时，各个线程在安全点停止下来（线程是主动停止下来等待gc）。这些安全点都是语言在你的代码中插入的无形损耗。为了让同步的变量可见，Java会在某些代码中间插入CyclicBarrier，让多个需要立即可见的变量互相等待一下，然后让cpu将变量刷回主存。
3、可执行程序加载
所有的程序都会有这个问题，不可避免。原因是所有程序都在OS的管理下运行的，除非你的程序就是操作系统。
在程序开始运行前，OS要做以下工作：
- 创建进程PCB(进程属于新建态）,
- 将exe文件加载到内存
- 映射虚拟内存，分配页表，设置MMU
- 操作系统为程序运行分配必须的资源（如输入输出文件等）.
通常，因此这种损耗基本上可以忽略。
4、模式切换
从OS调度来说一般有线程切换和进程切换，现在的OS一般是以线程为单位进行调度，无论是线程切换还是进程切换，都会引起用户模式和内核模式的切换。因此线程切换，虽然损耗比较小，但当线程的数量非常多的时候，其损耗也是不可忽略的。
线程切换需要进行的工作：
step 1. 保存被中断（一般上下文切换都是由中断引起的，比如说时间片用完）线程A的CPU相关寄存器。
step 2. 保存现程控制块（TCB)相关信息，标志现程当前状态（如果是时间片用完，则属于就绪态）
step 3. 根据当前线程的状态，将其放入相关队列（假如是时间片用完，则放入就绪队列）
step 4. 从就绪队列选择另外一个线程B(可能会有一个算法在这里面，因为队列有很多就绪线程，怎么选）
step 5. 修改线程B的线程控制块（TCB)，标记其为运行态。
step 6. 恢复线程B的CPU现场
我们的代码中，如果需要大量的io时，这时你要注意了，通常每次调用io函数，都会发生内核模式和用户模式切换。这种切换速度是非常快的，但一般的处理器也有硬件支持。
用户模式切内核模式进行的工作
step1 根据线程（进程）状态，将线程放到挂起队列末尾。
step2 保存用户的CPU的寄存器现场
step2 按照io号去处理。。。。（这个可能会很长）
在linux中，可以通过vmstat 的cs（context switch)列看到上下文切换的次数
5、函数调用
其实我们的程序入口都是从一个main函数开始，然后就是一层又一层的函数调用，这个是不可避免的。这方面的损耗也比较小。其主要损耗在于调用参数及现场保护。
当调用一个参数时，需要进行以下一些列工作
- 参数入栈（将函数调用的参数压入函数栈，参数越多，耗时越长）
- 跳转地址（跳转前还需要保护当前代码地址）
- 函数调用
- 函数调用完毕，逆过程（回跳至调用者代码，释放之前入栈参数空间）
在64位系统，AMD对函数堆栈稍微做了些改变，当函数参数正数不超过6个，浮点数参数不超过8个时，可以将参数直接存放在寄存器中，不用再将参数进行入栈。但这个优化似乎不起太大作用，因为一旦函数调用超过2层，同样还需要将参数入栈。
从上面的过程，函数参数有个入栈工程，通常函数的内的局部变量也在函数站内。一般这个栈的大小是有限制的（Java中默认是512k)。如果你的函数调用太深或者你的函数出现了死循环，cpu就会不断的往函数栈中push参数，直到这个栈满了，就出现了stack overflow的异常。
6、os与用户程序之间的数据传递损耗
比如用户需要读取一个配置文件，首先，文件数据到达操作系统的缓冲区，然后，再传递给用户的目的缓存区（至于为什么这么做，大家可以看看Java nio编程），甚至有时候，我们代码传递到用户缓存区，还没有到达正确的位置，可能还要转换成某个对象，存放到共享数据区。
<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->
<!--[endif]-->
总结：记得有人说过这样的话，通用即难用。现在想想是有一定道理的，上面的每一种损耗，都是为了让我们的语言更优雅，或者为了降低我们编程的难度而采取的措施。我老觉得苹果手机比android手机快，可能很大一部分原因是android采用的Java引起。尽管上面所述有些损耗都非常小，以至于我们根本无法察觉。但只要执行指令就会耗电，而且冗余指令越多，耗电量越大。
参考资料
http://www.cnblogs.com/ktgu/p/3529144.html
http://baike.baidu.com/view/1760224.htm
附：c代码反编译后代码
0000000000400358 <_init>: 400358: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp 40035c: e8 5b 00 00 00 callq 4003bc <call_gmon_start> 400361: e8 ea 00 00 00 callq 400450 <frame_dummy> 400366: e8 b5 01 00 00 callq 400520 <__do_global_ctors_aux> 40036b: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp 40036f: c3 retq Disassembly of section .plt: 0000000000400370 <__libc_start_main@plt-0x10>: 400370: ff 35 72 04 20 00 pushq 0x200472(%rip) # 6007e8 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8> 400376: ff 25 74 04 20 00 jmpq *0x200474(%rip) # 6007f0 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10> 40037c: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax) 0000000000400380 <__libc_start_main@plt>: 400380: ff 25 72 04 20 00 jmpq *0x200472(%rip) # 6007f8 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x18> 400386: 68 00 00 00 00 pushq $0x0 40038b: e9 e0 ff ff ff jmpq 400370 <_init+0x18> Disassembly of section .text: 0000000000400390 <_start>: 400390: 31 ed xor %ebp,%ebp 400392: 49 89 d1 mov %rdx,%r9 400395: 5e pop %rsi 400396: 48 89 e2 mov %rsp,%rdx 400399: 48 83 e4 f0 and $0xfffffffffffffff0,%rsp 40039d: 50 push %rax 40039e: 54 push %rsp 40039f: 49 c7 c0 80 04 40 00 mov $0x400480,%r8 4003a6: 48 c7 c1 90 04 40 00 mov $0x400490,%rcx 4003ad: 48 c7 c7 74 04 40 00 mov $0x400474,%rdi 4003b4: e8 c7 ff ff ff callq 400380 <__libc_start_main@plt> 4003b9: f4 hlt 4003ba: 90 nop 4003bb: 90 nop 00000000004003bc <call_gmon_start>: 4003bc: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp 4003c0: 48 8b 05 11 04 20 00 mov 0x200411(%rip),%rax # 6007d8 <_DYNAMIC+0x190> 4003c7: 48 85 c0 test %rax,%rax 4003ca: 74 02 je 4003ce <call_gmon_start+0x12> 4003cc: ff d0 callq *%rax 4003ce: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp 4003d2: c3 retq 4003d3: 90 nop 4003d4: 90 nop 4003d5: 90 nop 4003d6: 90 nop 4003d7: 90 nop 4003d8: 90 nop 4003d9: 90 nop 4003da: 90 nop 4003db: 90 nop 4003dc: 90 nop 4003dd: 90 nop 4003de: 90 nop 4003df: 90 nop 00000000004003e0 <__do_global_dtors_aux>: 4003e0: 55 push %rbp 4003e1: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 4003e4: 53 push %rbx 4003e5: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp 4003e9: 80 3d 18 04 20 00 00 cmpb $0x0,0x200418(%rip) # 600808 <completed.6349> 4003f0: 75 4b jne 40043d <__do_global_dtors_aux+0x5d> 4003f2: bb 38 06 60 00 mov $0x600638,%ebx 4003f7: 48 8b 05 12 04 20 00 mov 0x200412(%rip),%rax # 600810 <dtor_idx.6351> 4003fe: 48 81 eb 30 06 60 00 sub $0x600630,%rbx 400405: 48 c1 fb 03 sar $0x3,%rbx 400409: 48 83 eb 01 sub $0x1,%rbx 40040d: 48 39 d8 cmp %rbx,%rax 400410: 73 24 jae 400436 <__do_global_dtors_aux+0x56> 400412: 66 0f 1f 44 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1) 400418: 48 83 c0 01 add $0x1,%rax 40041c: 48 89 05 ed 03 20 00 mov %rax,0x2003ed(%rip) # 600810 <dtor_idx.6351> 400423: ff 14 c5 30 06 60 00 callq *0x600630(,%rax,8) 40042a: 48 8b 05 df 03 20 00 mov 0x2003df(%rip),%rax # 600810 <dtor_idx.6351> 400431: 48 39 d8 cmp %rbx,%rax 400434: 72 e2 jb 400418 <__do_global_dtors_aux+0x38> 400436: c6 05 cb 03 20 00 01 movb $0x1,0x2003cb(%rip) # 600808 <completed.6349> 40043d: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp 400441: 5b pop %rbx 400442: c9 leaveq 400443: c3 retq 400444: 66 66 66 2e 0f 1f 84 data32 data32 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1) 40044b: 00 00 00 00 00 0000000000400450 <frame_dummy>: 400450: 48 83 3d e8 01 20 00 cmpq $0x0,0x2001e8(%rip) # 600640 <__JCR_END__> 400457: 00 400458: 55 push %rbp 400459: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 40045c: 74 12 je 400470 <frame_dummy+0x20> 40045e: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 400463: 48 85 c0 test %rax,%rax 400466: 74 08 je 400470 <frame_dummy+0x20> 400468: bf 40 06 60 00 mov $0x600640,%edi 40046d: c9 leaveq 40046e: ff e0 jmpq *%rax 400470: c9 leaveq 400471: c3 retq 400472: 90 nop 400473: 90 nop 0000000000400474 <main>: 400474: 55 push %rbp 400475: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 400478: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 40047d: c9 leaveq 40047e: c3 retq 40047f: 90 nop 0000000000400480 <__libc_csu_fini>: 400480: f3 c3 repz retq 400482: 66 66 66 66 66 2e 0f data32 data32 data32 data32 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1) 400489: 1f 84 00 00 00 00 00 0000000000400490 <__libc_csu_init>: 400490: 48 89 6c 24 d8 mov %rbp,-0x28(%rsp) 400495: 4c 89 64 24 e0 mov %r12,-0x20(%rsp) 40049a: 48 8d 2d 7b 01 20 00 lea 0x20017b(%rip),%rbp # 60061c <__init_array_end> 4004a1: 4c 8d 25 74 01 20 00 lea 0x200174(%rip),%r12 # 60061c <__init_array_end> 4004a8: 4c 89 6c 24 e8 mov %r13,-0x18(%rsp) 4004ad: 4c 89 74 24 f0 mov %r14,-0x10(%rsp) 4004b2: 4c 89 7c 24 f8 mov %r15,-0x8(%rsp) 4004b7: 48 89 5c 24 d0 mov %rbx,-0x30(%rsp) 4004bc: 48 83 ec 38 sub $0x38,%rsp 4004c0: 4c 29 e5 sub %r12,%rbp 4004c3: 41 89 fd mov %edi,%r13d 4004c6: 49 89 f6 mov %rsi,%r14 4004c9: 48 c1 fd 03 sar $0x3,%rbp 4004cd: 49 89 d7 mov %rdx,%r15 4004d0: e8 83 fe ff ff callq 400358 <_init> 4004d5: 48 85 ed test %rbp,%rbp 4004d8: 74 1c je 4004f6 <__libc_csu_init+0x66> 4004da: 31 db xor %ebx,%ebx 4004dc: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax) 4004e0: 4c 89 fa mov %r15,%rdx 4004e3: 4c 89 f6 mov %r14,%rsi 4004e6: 44 89 ef mov %r13d,%edi 4004e9: 41 ff 14 dc callq *(%r12,%rbx,8) 4004ed: 48 83 c3 01 add $0x1,%rbx 4004f1: 48 39 eb cmp %rbp,%rbx 4004f4: 72 ea jb 4004e0 <__libc_csu_init+0x50> 4004f6: 48 8b 5c 24 08 mov 0x8(%rsp),%rbx 4004fb: 48 8b 6c 24 10 mov 0x10(%rsp),%rbp 400500: 4c 8b 64 24 18 mov 0x18(%rsp),%r12 400505: 4c 8b 6c 24 20 mov 0x20(%rsp),%r13 40050a: 4c 8b 74 24 28 mov 0x28(%rsp),%r14 40050f: 4c 8b 7c 24 30 mov 0x30(%rsp),%r15 400514: 48 83 c4 38 add $0x38,%rsp 400518: c3 retq 400519: 90 nop 40051a: 90 nop 40051b: 90 nop 40051c: 90 nop 40051d: 90 nop 40051e: 90 nop 40051f: 90 nop 0000000000400520 <__do_global_ctors_aux>: 400520: 55 push %rbp 400521: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 400524: 53 push %rbx 400525: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp 400529: 48 8b 05 f0 00 20 00 mov 0x2000f0(%rip),%rax # 600620 <__CTOR_LIST__> 400530: 48 83 f8 ff cmp $0xffffffffffffffff,%rax 400534: 74 19 je 40054f <__do_global_ctors_aux+0x2f> 400536: bb 20 06 60 00 mov $0x600620,%ebx 40053b: 0f 1f 44 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1) 400540: 48 83 eb 08 sub $0x8,%rbx 400544: ff d0 callq *%rax 400546: 48 8b 03 mov (%rbx),%rax 400549: 48 83 f8 ff cmp $0xffffffffffffffff,%rax 40054d: 75 f1 jne 400540 <__do_global_ctors_aux+0x20> 40054f: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp 400553: 5b pop %rbx 400554: c9 leaveq 400555: c3 retq 400556: 90 nop 400557: 90 nop Disassembly of section .fini: 0000000000400558 <_fini>: 400558: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp 40055c: e8 7f fe ff ff callq 4003e0 <__do_global_dtors_aux> 400561: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp 400565: c3 retq
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