[心得] Fortran 優缺點

看板Fortran作者dryman (dryman)時間5月前 (2024/06/30 00:01)推噓1(1推 0噓 5→)

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小弟最近正在研究數值演算法順利的話，希望能將程式回饋給LAPACK 在此之前我主要進行C/C++/Python的程式設計 Fortran是我在研究數值演算法的同時，順帶一起學的我的分析以 Fortran 90 為主，並且遵循 LAPACK 設計守則比較對象包含C/C++/Python 最大的優點，就是多維資料及定址 real, intent(in) :: A(LDA, *) 可以輕鬆的使用 A(i, j) 來定址資料在Fortron 90 甚至可以進行向量版本的計算例如 y(1:n) = a * x(1:n) + y(1:n) 只要加入 -mavx2 或是 -mavx512f 就能輕鬆編譯出使用SIMD指令集的程式 https://godbolt.org/z/EPxsPsdoW numpy 雖然也有支持 a[1:m, 1:n] 這樣的定址模式但我們很難期待它有高效能 C/C++ 對應同樣的資料結構，就必須寫 A[j*lda + i]，非常的不方便一不小心弄錯i, j，程式就會出錯需要多寫一層迴圈也會影響程式的閱讀性這個獨特的優點直接壓過所有的缺點，使得它成為設計數值程式的首選其語法與matlab, numpy類似卻有C/C++的速度如果是作為數值演算法的使用者，那麼numpy/scipy/matlab等都是好選擇但如果是要作為數值演算法的實作者，fortran的效能還是上述語言無法取代的可惜的是Fortran讓人惱人的缺點也不少 1. 無法內嵌組合語言高效能需求的矩陣乘法函式庫BLAS，效能好的都已經改用C+組合語言來撰寫畢竟編譯器能提供的幫助有限，少數的地方我們還是希望能精準的控制組合語言的輸出一個算是重視效能的語言卻禁止結合組合語言，我覺得其決策弊大於利（官方說法是Fortran的設計初衷就是不綁定機器）連rust都能使用assembly intrinsics了對於習慣使用intrinsics來加速的我來說，這個禁令非常的綁手綁腳 2. 缺乏標準測試環境作為軟體工程師，我的開發習慣從設立一個測試環境開始不論是測試自己對語法的熟悉度、函式庫使用起來是否正確或是一些用來驗證開發中程式內部結構的程式，都非常的好用我一開始是從fortran維基上找 https://fortranwiki.org/fortran/show/Unit+testing+frameworks 我不知道別人實測的心得如何我自己是覺得相當難以上手所以我早期的測試程式是幫fortran寫c header file後再以google test來進行測試後來乾脆自己開發一個與cmake結合的版本： https://github.com/dryman/fortran_unit_test 它符合多數程式語言在寫測試時的習慣也就是一個測試就是一個function 然後測試環境會依序測試每個function是否正確執行 3. 與主流程式語言不同的語意例如不能使用 IF (A .and. B) ，在 A 為非的時候不執行 B (no short circuit) 不能使用 X = A ? B : C; 這種在一般CPU都有特殊的優化組語 (conditional move) 不過fortran 2023就真的可以寫 value = ( a > 0.0 ? a : 0.0) 4. 與 C 的程式作連結時，字串處理的問題在我撰寫CMake/Ctest for fortran時，最讓我苦惱的問題是處理字串在 C 當中，我們使用int argc, char** argv來傳遞arguments 然而在fortran當中，要將char**轉成fortran容易處理的資料，卻相當痛苦最簡單的選項，是將其變為array of size-1 array, each contain a character 但是這樣的資料卻又沒辦法丟給其他的fortran字串處理程式例如ctest其實支援傳遞parameterized arguments ./my_test test_fn 50 100 50 和 100 會被當作 5, 1 我最後的解法是把C stdlib的atoi搬進fortran來使用這問題在fortran 2023似乎也能解決： US 09 會增加 call c_f_strpointer 5. 變數宣告必需要在程式開頭這點也是對開發相當冗餘的設計不過看起來沒有機會改善 :( 寫了這麼多，對缺點的抱怨多過優點不過實際上我是真的蠻感激fortran 90的語法對開發數值程式的幫助要在其他語言上開發相同的功能，其實更加不容易以上就是我的心得，也歡迎對程式語言及數值程式有興趣的朋友分享想法 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 98.7.202.94 (美國) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Fortran/M.1719676912.A.019.html