Perl 6中类型/约束会影响性能吗？是否有相关研究？

Question

与 Perl 5 不同的是，Perl 6 引入了可选类型以及约束，例如：

# Perl 5
sub mySub {
   my $probability = $_[0];
   # Do stuff with $probability
}

# Perl 6 - using optional typing and constraints
sub mySub(Real $probability where 0 < * < 1) {
   # Do stuff with $probability
}

是否有研究调查了使用这些功能时，不同的Perl 6 VMs是否存在性能损失，并且它们有多大？

我正在寻找一些经过良好设计和跨VM的内容。

- DVK

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相关：lizmat在FOSDEM 2017上关于加速Perl 6的演讲。我认为其中有一些与你的问题相关的内容。但即使不是，你也可能会喜欢观看它。 :) 还有一个由Nine关于使用Perl 6进行Web开发的演讲，在那里他对比了Dancer和Mojo在Perl 5中的速度，并在Perl 6中进行了移植，并使用他的Perl 5 in Perl 6的东西来运行它，我认为那也谈到了类型，但视频还没有上传。 - simbabque

@Borodin: 这意味着，如果您犯了错误并向子程序传递了不可接受的值，它会提前死亡，并显示一条有用的错误消息（在某些情况下甚至是在编译时），而不是在程序执行的较晚阶段难以理解地崩溃和烧毁，或者更糟糕的是产生不正确/损坏的数据。 - smls

@DVK：我不知道有这样一项彻底的性能研究（而且随着Rakudo每个月变得更加优化，这将是一个移动目标）。但作为经验法则，“where”从句和“subset”类型总是会损害性能，因为它们被视为不透明代码，每次检查类型时都必须运行，而声明性类型约束实际上在某些情况下可以改善性能，因为它们为优化器/专用程序提供了额外的信息。 - smls

@Borodin - 这种类型的论点可能更适合在Software Engineering.SE上作为问答 :) - DVK

@Borodin 基于你在这里所说的，你似乎与 Larry Wall 有相同的观点，他是所有 Perl（包括 Perl 6）的首席设计师。Perl 1 到 6 非常注重保持弱类型，这背后有深刻的原因。DVK 的例子和所述的速度问题反映出对 Perl 6 类型的理解不足，这是可以理解的——那就是为什么他们在 SO 上提问。我希望明天有时间写个答案，但它基本上就是 @smls 所说的。虽然你们两个可能认为自己有分歧，但我认为你们可能没有。 - raiph

Answer 1

最全面、设计良好的Perl 6性能测试工具是https://github.com/japhb/perl6-bench，但它并不专注于可选类型的相对性能。然而，它支持多个VM后端，所以这可能是一个很好的起点。

- donaldh

Answer 2

这个答案旨在补充@donaldh的答案，尽管我也不知道任何针对Perl 6类型/类型约束的特定研究。

静态类型检查很快

在下面的代码中，编译器会在编译时进行Complex~~Real类型检查：

sub mySub(Real $probability where 0 < * < 1) {
    # Do stuff with $probability
}

my Complex \number = 1-2e3i;

mySub number;

编译上述代码时，Rakudo编译器意识到number是Complex——因此您会得到一个编译时类型检查失败的错误提示：

===SORRY!=== Error while compiling

Calling mySub(Complex) will never work with declared signature (Real $probability)

随着时间推移，像Rakudo这样的Perl 6编译器可以改善它们的编译时代码分析，从而在编译时进行更多类型检查，如上所述。

请注意，甚至没有尝试使用“where”子句。仅仅指定“where”子句没有任何惩罚。由于“where”子句导致的任何开销只有在变量/值通过基本类型检查后才适用。

大多数动态类型检查也很快

在下面的示例中，编译器在运行时执行了Complex~~Real类型检查：

multi sub mySub(Real $probability where 0 < * < 1) {
    # Do stuff with $probability
}

multi sub mySub(Complex $probability) {
    # Do stuff with $probability
}

my \number = 1-2e3i;

mySub number;

编译上述代码时，Rakudo编译器目前不会在编译时意识到number是Complex。在运行时，它考虑并拒绝第一个multi sub声明。与之前相同，它甚至不尝试使用where子句。相反，它成功调用了第二个multi sub。

迄今为止的例子应该清楚地表明，对于大多数类型检查来说，要么根本不需要，要么几乎没有运行时性能损失。

原生类型

理论上，可以使用原生类型以获得更好的性能：

sub foo-Int (Int $a) { my Int $b; $b++ for ^$a }
sub foo-int (int $a) { my int $b; $b++ for ^$a }

my $time;
$time = now; foo-Int my Int $ = 1e6.Int; say now - $time; # 1.0597491
$time = now; foo-int my int $ = 1e6.Int; say now - $time; # 0.7627174

在实践中，指定本地类型有时会减慢代码速度。

随着Rakudo的优化改进，相对于Int，int优化应变得更加一致和重要。其他本地标量类型和本地数组也适用类似的情况。

强制类型转换

Perl 6支持“强制类型转换”。

例如，Str(Int)接受任何Int或其子类型，并将其强制转换为Str。

如果强制类型转换的内部类型匹配，则编译器还将承担运行时开销来运行强制类型转换代码。

where子句

在完成上述常规静态和动态类型检查后，调用任何适用的where子句，直到其中一个成功或所有都失败。

编译器可以分析where子句并意识到它们等效于足够简单的静态类型表达式(例如where Int | Str)，并使用此信息避免运行任意代码所带来的运行时开销。(参见@Larry's speculation about related matters。)目前的Rakudo不分析where子句。实际上，它比严格需要更频繁地调用where子句。

编译器/后端的性能是特定编译器/后端的函数。

截至2017年，主要的Perl 6编译器是Rakudo/MoarVM。过去曾有其他编译器编译了Perl 6的重要子集，未来也肯定会有；这些可能提供额外的数据。

“可选类型”与“渐进类型”

Perl 6引入了可选类型

如果您决定在网络上搜索相关数据...

Perl 6支持类继承和多分派等功能。根据维基百科的定义，这两个功能都在技术上使Perl 6无法拥有“可选类型”系统。

维基百科将Perl 6放在“渐进式类型”的广泛类别中，Larry Wall和doc.perl6.org也是如此。

- raiph

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请注意，不指定类型与指定 Any 类型是相同的（通常情况下）。因此，在这种情况下，您正在将值的类型检查与 Any 进行比较。不指定类型并不意味着 Rakudo 不进行类型检查：它一直在进行类型检查。因此，指定基本类型不会产生性能损失。如果子类型无法在编译时解析（例如 where 子句），则可能会引入性能损失。 - Elizabeth Mattijsen

纯属好奇，如果where子句和subtype的表达式是一样的，这两者是否匹配？例如概率的0 <* <=1，如果你从Real指定了相同方式的subtype，那么分发是否更快，无需进行where检查？ - Matt Oates

@MattOates 你是在问是否将用户代码重构从直接的where子句（位于参数右侧）转换为通过子集类型（位于变量/参数左侧）的间接子句，可以提高运行时性能吗？如果是这样，根据我所知，答案是否定的。我目前对Larry的猜测的解释是编译器可以在编译时合理地发现where表达式将计算为命名静态类型。我想知道与多候选排序语义的相互作用。 - raiph

@raiph 我的意思是，如果多重分派中的一个要求是一个 where 子句，但传递的类型是具有相同 where 子句的子类型，那么编译器是否已经静态地理解这些是相同的，并为子类型添加了一个规则，也将其分派到相同的方法。最终，您将知道 where 子句在 AST 中编译成什么，如果它们是相同的，则知道子类型明确与其他地方的约束相同，并且可以在不评估分派点处的检查的情况下匹配它。 - Matt Oates

@MattOates我已经彻底重写了我的答案。我认为你所问的与@Larry对相关事项的推测相似，正如我在我的改写中提到的那样。 - raiph