为什么 bash 的 printf 比 /usr/bin/printf 快？

Question

我有两种调用printf系统的方法：

$ type -a printf
printf is a shell builtin
printf is /usr/bin/printf
$ file /usr/bin/printf
/usr/bin/printf: ELF 64-bit LSB  executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically
linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32,
BuildID[sha1]=d663d220e5c2a2fc57462668d84d2f72d0563c33, stripped

因此，一个是内置的 bash，另一个是正确编译的可执行文件。我本来期望一个程序的唯一工作是printf比内置的 shell 快得多。当然，内置函数已经加载到内存中，但在专用程序中实际执行时间应该更快，对吗？它会被优化以在最好的 Unix 哲学中很好地做一件事。

显然不是：

$ >/tmp/foo; time for i in `seq 1 3000`; do printf '%s ' "$i" >> /tmp/foo; done;
real    0m0.065s
user    0m0.036s
sys     0m0.024s

$ >/tmp/foo; time for i in `seq 1 3000`; do /usr/bin/printf '%s ' "$i" >> /tmp/foo; done;   
real    0m18.097s
user    0m1.048s
sys     0m7.124s

正如@Guru 指出的那样，其中很多是因为创建线程的成本仅由/usr/bin/printf. 如果仅此而已，如果在循环外运行，我希望可执行文件比内置文件更快。不幸的是，/usr/bin/printf它可以接受的变量大小有限制，所以我只能用一个相对较短的字符串来测试它：

$ i=$(seq 1 28000 | awk '{k=k$1}END{print k}'); time /usr/bin/printf '%s ' "$i" > /dev/null; 

real    0m0.035s
user    0m0.004s
sys     0m0.028s

$ i=$(seq 1 28000 | awk '{k=k$1}END{print k}'); time printf '%s ' "$i" > /dev/null; 

real    0m0.008s
user    0m0.008s
sys     0m0.000s

内置程序仍然始终如一且明显更快。为了更清楚，让两者都开始新的进程：

$ time for i in `seq 1 1000`; do /usr/bin/printf '%s ' "$i" >/dev/null; done;   
real    0m33.695s
user    0m0.636s
sys     0m30.628s

$ time for i in `seq 1 1000`; do bash -c "printf '%s ' $i" >/dev/null; done;   

real    0m3.557s
user    0m0.380s
sys     0m0.508s

我能想到的唯一原因是正在打印的变量是内部变量bash，可以直接传递给内置变量。这足以解释速度的差异吗？还有哪些因素在起作用？

Answer 1

独立的printf

调用流程的部分“费用”是必须发生一些资源密集型的事情。

1. 必须从磁盘加载可执行文件，这会导致速度缓慢，因为已访问 HDD 以便从存储可执行文件的磁盘加载二进制 blob。
2. 可执行文件通常是使用动态库构建的，因此还必须加载可执行文件的一些辅助文件（即从 HDD 读取更多二进制 blob 数据）。
3. 操作系统开销。您调用的每个进程都会以必须为其创建的进程 ID 的形式产生开销。内存中的空间也将被划出以容纳在步骤 1 和 2 中从 HDD 加载的二进制数据，以及必须填充的多个结构以存储诸如进程环境（环境变量等）等内容。

摘录 /usr/bin/printf

    $ strace /usr/bin/printf "%s\n" "hello world"
    *execve("/usr/bin/printf", ["/usr/bin/printf", "%s\\n", "hello world"], [/* 91 vars */]) = 0
    brk(0)                                  = 0xe91000
    mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fd155a6b000
    access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
    open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY)      = 3
    fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=242452, ...}) = 0
    mmap(NULL, 242452, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fd155a2f000
    close(3)                                = 0
    open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY)      = 3
    read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0p\357!\3474\0\0\0"..., 832) = 832
    fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1956608, ...}) = 0
    mmap(0x34e7200000, 3781816, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x34e7200000
    mprotect(0x34e7391000, 2097152, PROT_NONE) = 0
    mmap(0x34e7591000, 20480, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x191000) = 0x34e7591000
    mmap(0x34e7596000, 21688, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x34e7596000
    close(3)                                = 0
    mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fd155a2e000
    mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fd155a2c000
    arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7fd155a2c720) = 0
    mprotect(0x34e7591000, 16384, PROT_READ) = 0
    mprotect(0x34e701e000, 4096, PROT_READ) = 0
    munmap(0x7fd155a2f000, 242452)          = 0
    brk(0)                                  = 0xe91000
    brk(0xeb2000)                           = 0xeb2000
    brk(0)                                  = 0xeb2000
    open("/usr/lib/locale/locale-archive", O_RDONLY) = 3
    fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=99158752, ...}) = 0
    mmap(NULL, 99158752, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fd14fb9b000
    close(3)                                = 0
    fstat(1, {st_mode=S_IFIFO|0600, st_size=0, ...}) = 0
    mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fd155a6a000
    write(1, "hello world\n", 12hello world
    )           = 12
    close(1)                                = 0
    munmap(0x7fd155a6a000, 4096)            = 0
    close(2)                                = 0
    exit_group(0)                           = ?*

通过以上内容，您可以了解/usr/bin/printf由于它是独立的可执行文件而必须产生的额外资源。

内置 printf

在printf调用 Bash 时，它所依赖的所有库的构建版本及其二进制 blob 已经加载到内存中。所以这一切都不必再次发生。

实际上，当您向 Bash 调用内置“命令”时，您实际上是在进行函数调用，因为所有内容都已加载。

一个类比

如果您曾经使用过诸如 Perl 之类的编程语言，那么它相当于调用函数 ( system("mycmd")) 或使用反引号 ( `mycmd`)。当你做这些事情中的任何一件时，你是在分叉一个单独的进程，它有自己的开销，而不是使用通过 Perl 的核心函数提供给你的函数。

Linux 进程管理剖析

IBM Developerworks 上有一篇很好的文章，它分解了 Linux 进程如何创建和销毁的各个方面以及进程中涉及的不同 C 库。文章标题为：Linux 进程管理剖析——创建、管理、调度和销毁。它也可以作为PDF 使用。