Performance 提高Fortran代码性能的技巧和技巧

作为我博士学位的一部分。研究方面，我正在开发大气和海洋环流的数值模型。这些涉及到PDE的数值求解系统，大约10^6个网格点，超过10^4个时间步。因此，在数十个CPU上以MPI运行时，典型的模型模拟需要几个小时到几天才能完成。当然，尽可能提高模型效率很重要，同时确保结果是字节到字节相同的

虽然我对我的Fortran编程感到非常满意，并且意识到了一些使代码更高效的技巧，但我觉得仍然有改进的空间，而这些技巧我并不知道

目前，我确保使用尽可能少的除法，并尽量不使用文字常量（我从很早就被教导这样做，例如在实际计算中使用half=0.5而不是0.5），使用尽可能少的超越函数等

还有哪些其他性能敏感因素？目前，我想知道以下几点：

1） 数学运算的顺序重要吗？例如，如果我有：

a=1E-7 ; b=2E4 ; c=3E13
d=a*b*c

d会根据乘法的顺序以不同的效率进行计算吗？现在，这必须是特定于编译器的，但有一个直接的答案吗？我注意到d根据顺序（精度限制）得到（稍微）不同的值，但这会影响效率吗

2） 将大量（例如几十个）数组作为参数传递给子例程，而不是从子例程中的模块访问这些数组

3） Fortran 95构造（FORALL和WHERE）与DO和IF？我知道这些在90年代很重要，当时代码向量化是一件大事，但是现在现代编译器能够向量化显式DO循环，这有什么区别吗？（我在工作中使用PGI、Intel和IBM编译器）

4） 将一个数字提高到整数次方与乘法？例如：

b=a**4

或

我被教导在可能的情况下总是使用后者。这是否会影响效率和/或精度？（可能还依赖于编译器）

请讨论和/或添加有关提高Fortran代码效率的技巧和技巧。外面还有什么？如果您知道与此问题相关的上述每个编译器的具体操作，请将其也包括在内

补充：请注意，我本身没有任何瓶颈或性能问题。我想问的是，在操作方面是否有优化代码的一般规则

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谢谢

对不起，你提到的所有技巧都只是。。。荒唐的更确切地说，它们在实践中没有任何意义。例如：

• 用一半（=0.5）代替0.5有什么好处
• 用于计算

  a**4

  或

  a*a*a

  的idem<代码>（a*a）**2也将是另一种可能性。我个人的爱好是**4，因为一个好的编译器会自动选择最好的方式

对于

**

，唯一重要的一点是

a**4

和

a**4.

之间的区别，后者更耗费CPU时间。但如果没有实际模拟中的测量，这一点也毫无意义

事实上，你的方法是错误的。尽可能地开发代码。之后，客观地衡量代码不同部分的成本。没有测量的优化是毫无意义的

如果一个部件的CPU占用率很高，例如50%，不要忘记，仅优化该部件不能将整个代码的成本除以大于2的因子。无论如何，从最昂贵的部分（瓶颈）开始优化工作

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也不要忘记，主要的改进通常来自于更好的算法。

我赞同这样的建议，即在这个时代，你学到的这些技巧是愚蠢的。编译器现在为您完成这项工作；这样的微观优化不太可能产生重大影响，而且可能不便于移植。编写清晰易懂的代码。仔细选择你的算法。有一件事可以有所作为，那就是以正确的顺序使用多维数组的索引。。。根据您的程序的数据访问模式，将一个M X N阵列重铸为N X M会有所帮助。在此之后，如果您的程序太慢，请测量CPU消耗的位置，并仅改进这些部分。经验表明，猜测常常是错误的，并且会导致无缘无故地编写更不透明的代码。如果您的程序在代码段中花费1%的时间，速度是原来的两倍，则不会有任何区别

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以下是之前关于FORALL和WHERE的答案：

你对该做什么有着先验的想法，其中一些可能会有所帮助， 但最大的回报是后验分析。
（补充：换句话说，将

a*b*c

转换为不同的顺序可能会节省几个周期（我对此表示怀疑），但与此同时，你不知道你不会因为没有充分的理由花费1000个周期而变得盲目。）

无论您如何仔细地编写代码，都会有您没有预见到的加速机会。下面是我如何找到它们的。（有些人认为有争议） 执行此操作时，最好先关闭优化标志，这样代码就不会全部被置乱。 稍后您可以打开它们，让编译器完成它的工作

让它在具有足够工作负载的调试器下运行，使其运行合理的时间长度。 当它运行时，手动中断它，仔细看看它在做什么以及为什么。 这样做几次，比如10次，这样你就不会得出错误的结论

以下是您可能会发现的示例：

• 它可能会花费大量的时间调用数学库函数，这是不必要的，因为我们使用了一些表达式

  b=a*a*a*a