Là Fortran dễ dàng tối ưu hóa hơn C cho các tính toán nặng?

Thỉnh thoảng tôi đọc rằng Fortran là hoặc có thể nhanh hơn C để tính toán nặng. Điều đó có thực sự đúng không? Tôi phải thừa nhận rằng tôi hầu như không biết Fortran, nhưng mã Fortran tôi đã thấy cho đến nay không cho thấy rằng ngôn ngữ có các tính năng mà C không có.

Nếu đó là sự thật, xin vui lòng cho tôi biết tại sao. Xin đừng nói với tôi ngôn ngữ hoặc lib nào tốt cho việc bẻ khóa số, tôi không có ý định viết một ứng dụng hoặc lib để làm điều đó, tôi chỉ tò mò.

Các ngôn ngữ có bộ tính năng tương tự. Sự khác biệt về hiệu suất xuất phát từ việc Fortran nói rằng răng cưa không được phép, trừ khi sử dụng câu lệnh THIẾT BỊ. Bất kỳ mã nào có bí danh đều không hợp lệ, Fortran, nhưng tùy thuộc vào người lập trình và không phải là trình biên dịch để phát hiện các lỗi này. Do đó, trình biên dịch Fortran bỏ qua các bí danh có thể có của con trỏ bộ nhớ và cho phép chúng tạo mã hiệu quả hơn. Hãy xem ví dụ nhỏ này trong C:

void transform (float *output, float const * input, float const * matrix, int *n)
{
    int i;
    for (i=0; i<*n; i++)
    {
        float x = input[i*2+0];
        float y = input[i*2+1];
        output[i*2+0] = matrix[0] * x + matrix[1] * y;
        output[i*2+1] = matrix[2] * x + matrix[3] * y;
    }
}

Chức năng này sẽ chạy chậm hơn so với đối tác Fortran sau khi tối ưu hóa. Tại sao như vậy? Nếu bạn viết các giá trị vào mảng đầu ra, bạn có thể thay đổi các giá trị của ma trận. Rốt cuộc, các con trỏ có thể chồng lên nhau và trỏ đến cùng một đoạn bộ nhớ (bao gồm cả intcon trỏ!). Trình biên dịch C buộc phải tải lại bốn giá trị ma trận từ bộ nhớ cho tất cả các tính toán.

Trong Fortran trình biên dịch có thể tải các giá trị ma trận một lần và lưu trữ chúng trong các thanh ghi. Nó có thể làm như vậy bởi vì trình biên dịch Fortran giả định các con trỏ / mảng không trùng nhau trong bộ nhớ.

May mắn thay, restricttừ khóa và răng cưa nghiêm ngặt đã được đưa vào tiêu chuẩn C99 để giải quyết vấn đề này. Nó cũng được hỗ trợ trong hầu hết các trình biên dịch C ++. Từ khóa cho phép bạn cung cấp cho trình biên dịch một gợi ý rằng lập trình viên hứa rằng một con trỏ không bí danh với bất kỳ con trỏ nào khác. Bí danh nghiêm ngặt có nghĩa là lập trình viên hứa rằng các con trỏ thuộc loại khác nhau sẽ không bao giờ trùng nhau, ví dụ như double*sẽ không trùng lặp với một int*(với ngoại lệ cụ thể char*và void*có thể trùng lặp với bất cứ điều gì).

Nếu bạn sử dụng chúng, bạn sẽ nhận được cùng tốc độ từ C và Fortran. Tuy nhiên, khả năng chỉ sử dụng restricttừ khóa với các chức năng quan trọng về hiệu suất có nghĩa là các chương trình C (và C ++) an toàn hơn và dễ viết hơn. Ví dụ, hãy xem xét mã Fortran không hợp lệ : CALL TRANSFORM(A(1, 30), A(2, 31), A(3, 32), 30), mà hầu hết các trình biên dịch Fortran sẽ vui vẻ biên dịch mà không có bất kỳ cảnh báo nào nhưng đưa ra một lỗi chỉ xuất hiện trên một số trình biên dịch, trên một số phần cứng và với một số tùy chọn tối ưu hóa.

Vâng, vào năm 1980; vao năm 2008? phụ thuộc

Khi tôi bắt đầu lập trình một cách chuyên nghiệp, sự thống trị tốc độ của Fortran chỉ là thử thách. Tôi nhớ đã đọc về nó trong Tiến sĩ Dobbs và nói với các lập trình viên lớn tuổi hơn về bài báo - họ đã cười.

Vì vậy, tôi có hai quan điểm về điều này, lý thuyết và thực tế. Về lý thuyết, Fortran ngày nay không có lợi thế nội tại đối với C / C ++ hoặc thậm chí bất kỳ ngôn ngữ nào cho phép mã lắp ráp. Trong thực tế, Fortran ngày nay vẫn được hưởng những lợi ích của di sản lịch sử và văn hóa được xây dựng xung quanh việc tối ưu hóa mã số.

Cho đến và bao gồm cả Fortran 77, các cân nhắc về thiết kế ngôn ngữ đã được tối ưu hóa làm trọng tâm chính. Do trạng thái của lý thuyết và công nghệ trình biên dịch, điều này thường có nghĩa là hạn chế các tính năng và khả năng để cung cấp cho trình biên dịch những bức ảnh tốt nhất trong việc tối ưu hóa mã. Một sự tương đồng tốt là nghĩ về Fortran 77 như một chiếc xe đua chuyên nghiệp hy sinh các tính năng cho tốc độ. Ngày nay trình biên dịch đã trở nên tốt hơn trên tất cả các ngôn ngữ và các tính năng cho năng suất lập trình viên được đánh giá cao hơn. Tuy nhiên, vẫn có những nơi người dân chủ yếu quan tâm đến tốc độ trong điện toán khoa học; những người này rất có thể đã được thừa hưởng mã, đào tạo và văn hóa từ những người mà chính họ là lập trình viên của Fortran.

Khi một người bắt đầu nói về tối ưu hóa mã, có nhiều vấn đề và cách tốt nhất để cảm nhận điều này là ẩn giấu nơi mọi người có công việc là có mã số nhanh . Nhưng hãy nhớ rằng mã nhạy cảm nghiêm trọng như vậy thường chỉ là một phần nhỏ trong các dòng mã tổng thể và rất chuyên biệt: Rất nhiều mã Fortran cũng "không hiệu quả" như nhiều mã khác trong các ngôn ngữ khác và thậm chí không được tối ưu hóa một mối quan tâm chính của mã như vậy .

Một nơi tuyệt vời để bắt đầu tìm hiểu về lịch sử và văn hóa của Fortran là wikipedia. Mục nhập Fortran Wikipedia là tuyệt vời và tôi rất đánh giá cao những người đã dành thời gian và nỗ lực để làm cho nó có giá trị cho cộng đồng Fortran.

(Một phiên bản rút gọn của câu trả lời này sẽ là một nhận xét trong chủ đề xuất sắc được bắt đầu bởi Nils nhưng tôi không có nghiệp lực để làm điều đó. nội dung thông tin và chia sẻ trái ngược với cuộc chiến nảy lửa và sự cố chấp ngôn ngữ, đó là trải nghiệm chính của tôi với chủ đề này. Tôi bị choáng ngợp và phải chia sẻ tình yêu.)

Ở một mức độ nào đó, Fortran đã được thiết kế để giữ cho tối ưu hóa trình biên dịch. Ngôn ngữ hỗ trợ toàn bộ hoạt động mảng nơi trình biên dịch có thể khai thác song song (đặc biệt trên bộ xử lý đa lõi). Ví dụ,

Phép nhân ma trận dày đặc chỉ đơn giản là:

matmul(a,b)

Định mức L2 của vectơ x là:

sqrt(sum(x**2))

Ngoài ra, các câu lệnh như FORALL, PURE& ELEMENTALthủ tục, vv giúp tiếp tục tối ưu hóa mã. Ngay cả con trỏ trong Fortran cũng không linh hoạt như C vì lý do đơn giản này.

Tiêu chuẩn Fortran sắp tới (2008) có các mảng đồng cho phép bạn dễ dàng viết mã song song. G95 (mã nguồn mở) và trình biên dịch từ CRAY đã hỗ trợ nó.

Vì vậy, có Fortran có thể nhanh chóng đơn giản vì trình biên dịch có thể tối ưu hóa / song song hóa nó tốt hơn C / C ++. Nhưng một lần nữa giống như mọi thứ khác trong cuộc sống, có trình biên dịch tốt và trình biên dịch xấu.

Thật buồn cười khi rất nhiều câu trả lời ở đây từ việc không biết ngôn ngữ. Điều này đặc biệt đúng đối với các lập trình viên C / C ++, những người đã mở và sử dụng mã FORTRAN 77 cũ và thảo luận về các điểm yếu.

Tôi cho rằng vấn đề tốc độ chủ yếu là câu hỏi giữa C / C ++ và Fortran. Trong một mã Huge, nó luôn phụ thuộc vào lập trình viên. Có một số tính năng của ngôn ngữ mà Fortran vượt trội hơn và một số tính năng mà C làm. Vì vậy, vào năm 2011, không ai có thể thực sự nói cái nào nhanh hơn.

Về bản thân ngôn ngữ, Fortran hiện nay hỗ trợ các tính năng Full OOP và nó hoàn toàn tương thích ngược. Tôi đã sử dụng Fortran 2003 một cách triệt để và tôi sẽ nói rằng thật thú vị khi sử dụng nó. Ở một số khía cạnh, Fortran 2003 vẫn đứng sau C ++ nhưng hãy xem xét cách sử dụng. Fortran chủ yếu được sử dụng cho tính toán số và không ai sử dụng các tính năng OOP C ++ ưa thích vì lý do tốc độ. Trong điện toán hiệu năng cao, C ++ hầu như không có nơi nào để đi (hãy nhìn vào tiêu chuẩn MPI và bạn sẽ thấy rằng C ++ đã bị phản đối!).

Ngày nay, bạn có thể chỉ cần lập trình ngôn ngữ hỗn hợp với Fortran và C / C ++. Thậm chí có giao diện cho GTK + trong Fortran. Có trình biên dịch miễn phí (gfortran, g95) và nhiều trình biên dịch thương mại xuất sắc.

Có một số lý do tại sao Fortran có thể nhanh hơn. Tuy nhiên, số tiền họ quan trọng là không quan trọng hoặc có thể được xử lý xung quanh dù sao đi nữa, điều đó không quan trọng. Lý do chính để sử dụng Fortran hiện nay là duy trì hoặc mở rộng các ứng dụng cũ.

• Từ khóa PURE và ElementAL trên các chức năng. Đây là những chức năng không có tác dụng phụ. Điều này cho phép tối ưu hóa trong một số trường hợp nhất định trong đó trình biên dịch biết cùng chức năng sẽ được gọi với cùng các giá trị. Lưu ý: GCC triển khai "thuần túy" như một phần mở rộng cho ngôn ngữ. Trình biên dịch khác có thể là tốt. Phân tích giữa các mô-đun cũng có thể thực hiện tối ưu hóa này nhưng rất khó.

• bộ tiêu chuẩn của các hàm xử lý các mảng, không phải các phần tử riêng lẻ. Những thứ như sin (), log (), sqrt () lấy mảng thay vì vô hướng. Điều này làm cho nó dễ dàng hơn để tối ưu hóa các thói quen. Tự động vector hóa mang lại lợi ích tương tự trong hầu hết các trường hợp nếu các hàm này là nội tuyến hoặc nội trang

• Kiểu dựng sẵn phức tạp. Về lý thuyết, điều này có thể cho phép trình biên dịch sắp xếp lại hoặc loại bỏ các hướng dẫn nhất định trong một số trường hợp nhất định, nhưng có khả năng bạn sẽ thấy lợi ích tương tự với struct {double re, im; }; thành ngữ được sử dụng trong C. Nó làm cho sự phát triển nhanh hơn mặc dù các toán tử làm việc trên các loại phức tạp trong fortran.

Tôi nghĩ rằng điểm mấu chốt có lợi cho Fortran là nó là một ngôn ngữ phù hợp hơn một chút để diễn đạt toán học dựa trên vectơ và mảng. Vấn đề phân tích con trỏ được chỉ ra ở trên là có thật trong thực tế, vì mã di động thực sự không thể cho rằng bạn có thể nói với trình biên dịch một cái gì đó. Luôn luôn có một lợi thế để thể hiện các computaitons theo cách gần với hình thức của miền. C thực sự không có mảng nào cả, nếu bạn nhìn kỹ, chỉ cần một thứ gì đó giống như vậy. Fortran có những cuộc tranh luận thực sự. Điều này làm cho việc biên dịch dễ dàng hơn đối với một số loại thuật toán nhất định đối với các máy song song.

Đi sâu vào những thứ như hệ thống thời gian chạy và các quy ước gọi vốn, C và Fortran hiện đại đủ giống nhau đến mức khó có thể thấy điều gì sẽ tạo ra sự khác biệt. Lưu ý rằng C ở đây thực sự là cơ sở C: C ++ là một vấn đề hoàn toàn khác với các đặc tính hiệu suất rất khác nhau.

Không có thứ gọi là một ngôn ngữ nhanh hơn ngôn ngữ khác, vì vậy câu trả lời thích hợp là không .

Điều bạn thực sự phải hỏi là "mã được biên dịch với trình biên dịch Fortran X nhanh hơn mã tương đương được biên dịch với trình biên dịch C Y?" Câu trả lời cho câu hỏi đó tất nhiên phụ thuộc vào hai trình biên dịch bạn chọn.

Một câu hỏi khác mà người ta có thể đặt ra là dọc theo dòng "Cho cùng một lượng nỗ lực để tối ưu hóa trong trình biên dịch của họ, trình biên dịch nào sẽ tạo ra mã nhanh hơn?" Câu trả lời cho điều này trong thực tế sẽ là Fortran . Trình biên dịch Fortran có lợi thế certian:

• Fortran đã phải cạnh tranh với hội trở lại vào ngày mà một số người thề sẽ không bao giờ sử dụng trình biên dịch, vì vậy nó được thiết kế cho tốc độ. C được thiết kế linh hoạt.
• Thị trường ngách của Fortran đã bị khủng hoảng số. Trong mã miền này không bao giờ là đủ nhanh. Vì vậy, luôn có rất nhiều áp lực để giữ cho ngôn ngữ hiệu quả.
• Hầu hết các nghiên cứu về tối ưu hóa trình biên dịch được thực hiện bởi những người quan tâm đến việc tăng tốc mã bẻ khóa số Fortran, vì vậy tối ưu hóa mã Fortran là một vấn đề được biết đến nhiều hơn so với tối ưu hóa bất kỳ ngôn ngữ được biên dịch nào khác và trước tiên các cải tiến mới xuất hiện trong trình biên dịch Fortran.
• Biggie : C khuyến khích sử dụng con trỏ nhiều hơn Fortran. Điều này làm tăng đáng kể phạm vi tiềm năng của bất kỳ mục dữ liệu nào trong chương trình C, khiến chúng khó tối ưu hóa hơn nhiều. Lưu ý rằng Ada cũng tốt hơn C trong lĩnh vực này và là Ngôn ngữ OO hiện đại hơn nhiều so với Fortran77 thường thấy. Nếu bạn muốn một ngôn ngữ OO có thể tạo mã nhanh hơn C, đây là một tùy chọn cho bạn.
• Do một lần nữa do thích hợp với số lượng lớn, khách hàng của trình biên dịch Fortran có xu hướng quan tâm nhiều hơn đến tối ưu hóa so với khách hàng của trình biên dịch C.

Tuy nhiên, không có gì ngăn cản ai đó nỗ lực vào việc tối ưu hóa trình biên dịch C của họ và khiến nó tạo ra mã tốt hơn trình biên dịch Fortran của nền tảng của họ. Trên thực tế, doanh số lớn hơn do trình biên dịch C tạo ra khiến kịch bản này khá khả thi

Có một mục khác trong đó Fortran khác với C - và có khả năng nhanh hơn. Fortran có các quy tắc tối ưu hóa tốt hơn C. Trong Fortran, thứ tự đánh giá của một biểu thức không được xác định, cho phép trình biên dịch tối ưu hóa nó - nếu muốn buộc một thứ tự nhất định, người ta phải sử dụng dấu ngoặc đơn. Trong C, thứ tự chặt chẽ hơn nhiều, nhưng với các tùy chọn "-fast", chúng sẽ thoải mái hơn và "(...)" cũng bị bỏ qua. Tôi nghĩ Fortran có một cách nằm độc đáo ở giữa. (Chà, IEEE làm cho cuộc sống trở nên khó khăn hơn vì những thay đổi thứ tự đánh giá nhất định yêu cầu không xảy ra tràn, điều này phải được bỏ qua hoặc cản trở việc đánh giá).

Một lĩnh vực khác của quy tắc thông minh hơn là số phức. Không chỉ mất đến C 99, C mới có chúng, các quy tắc chi phối chúng cũng tốt hơn ở Fortran; do thư viện gfortran của Fortran được viết một phần bằng C nhưng thực hiện ngữ nghĩa của Fortran, GCC đã có được tùy chọn (cũng có thể được sử dụng với các chương trình C "thông thường"):

-fcx-fortran-quy tắc Nhân và chia phức tạp tuân theo quy tắc Fortran. Việc giảm phạm vi được thực hiện như một phần của phép chia phức tạp, nhưng không có kiểm tra xem kết quả của phép nhân hoặc phép chia phức tạp có phải là "NaN + I * NaN" hay không, với nỗ lực giải cứu tình huống trong trường hợp đó.

Các quy tắc bí danh được đề cập ở trên là một phần thưởng khác và cũng - ít nhất là về nguyên tắc - các hoạt động toàn mảng, nếu được tối ưu hóa đúng bởi trình tối ưu hóa của trình biên dịch, có thể dẫn mã nhanh hơn. Về phía contra là hoạt động nhất định mất nhiều thời gian hơn, ví dụ: nếu một người thực hiện gán cho một mảng phân bổ, có rất nhiều kiểm tra cần thiết (phân bổ lại? [Tính năng Fortran 2003], có các bước tiến, v.v.), làm cho hoạt động đơn giản phức tạp hơn đằng sau hậu trường - và do đó chậm hơn, nhưng làm cho ngôn ngữ mạnh mẽ hơn. Mặt khác, các hoạt động mảng với giới hạn và sải chân linh hoạt giúp viết mã dễ dàng hơn - và trình biên dịch thường tối ưu hóa mã tốt hơn so với người dùng.

Tổng cộng, tôi nghĩ rằng cả C và Fortran đều nhanh như nhau; sự lựa chọn nên là ngôn ngữ nào mà người ta thích nhiều hơn hoặc sử dụng các hoạt động toàn bộ mảng của Fortran và tính di động tốt hơn của nó sẽ hữu ích hơn - hay giao tiếp tốt hơn với các thư viện giao diện người dùng và hệ thống đồ họa trong C.

Không có gì về ngôn ngữ Fortran và C làm cho ngôn ngữ này nhanh hơn ngôn ngữ kia cho các mục đích cụ thể. Có những điều về trình biên dịch cụ thể cho từng ngôn ngữ này, điều này tạo thuận lợi cho một số tác vụ nhất định hơn các ngôn ngữ khác.

Trong nhiều năm, các trình biên dịch Fortran tồn tại có thể tạo ra ma thuật đen cho các thói quen số của bạn, làm cho nhiều tính toán quan trọng cực kỳ nhanh chóng. Các trình biên dịch C đương đại không thể làm điều đó là tốt. Kết quả là, một số thư viện mã lớn đã phát triển ở Fortran. Nếu bạn muốn sử dụng những thư viện tuyệt vời, đã được thử nghiệm, tuyệt vời này, bạn hãy thoát ra khỏi trình biên dịch Fortran.

Các quan sát không chính thức của tôi cho thấy rằng ngày nay mọi người mã hóa các công cụ tính toán nặng nề của họ bằng bất kỳ ngôn ngữ cũ nào và nếu phải mất một thời gian họ sẽ tìm thấy thời gian trên một số cụm tính toán rẻ tiền. Định luật Moore làm cho tất cả chúng ta ngu ngốc.

Tôi so sánh tốc độ của Fortran, C và C ++ với điểm chuẩn Levine-Callahan-Dongarra cổ điển từ netlib. Phiên bản đa ngôn ngữ, với OpenMP, là http://sites.google.com.vn/site/tprincesite/levine-callahan-dongarra-vector Chữ C xấu hơn, vì nó bắt đầu bằng dịch tự động, cộng với việc chèn hạn chế và pragma cho một số trình biên dịch. C ++ chỉ là C với các mẫu STL khi áp dụng. Theo quan điểm của tôi, STL là một túi hỗn hợp để xem nó có cải thiện khả năng bảo trì hay không.

Chỉ có bài tập tối thiểu về chức năng tự động trong lớp để xem mức độ cải thiện tối ưu hóa ở mức độ nào, vì các ví dụ này dựa trên thực tiễn Fortran truyền thống, nơi ít phụ thuộc vào lớp lót.

Trình biên dịch C / C ++, từ trước đến nay, việc sử dụng rộng rãi nhất lại thiếu tính năng vector hóa tự động, trong đó các điểm chuẩn này phụ thuộc rất nhiều.

Re bài đăng xuất hiện ngay trước đây: có một vài ví dụ trong đó dấu ngoặc đơn được sử dụng trong Fortran để đưa ra thứ tự đánh giá nhanh hơn hoặc chính xác hơn. Trình biên dịch C đã biết không có tùy chọn để quan sát dấu ngoặc đơn mà không vô hiệu hóa các tối ưu hóa quan trọng hơn.

Tôi là một lập trình viên sở thích và tôi "trung bình" ở cả hai ngôn ngữ. Tôi thấy việc viết mã Fortran nhanh dễ hơn mã C (hoặc C ++). Cả Fortran và C đều là ngôn ngữ "lịch sử" (theo tiêu chuẩn ngày nay), được sử dụng nhiều và có trình biên dịch thương mại và miễn phí được hỗ trợ tốt.

Tôi không biết liệu đó có phải là một sự thật lịch sử hay không nhưng Fortran cảm thấy như nó được xây dựng để được song song / phân phối / véc tơ / bất cứ thứ gì nhiều lõi. Và ngày nay, nó gần như là "số liệu tiêu chuẩn" khi chúng ta nói về tốc độ: "nó có mở rộng không?"

Đối với cpu crunching tinh khiết tôi yêu Fortran. Đối với bất cứ điều gì liên quan đến IO, tôi thấy làm việc với C. dễ dàng hơn (dù sao cũng khó khăn trong cả hai trường hợp).

Bây giờ, tất nhiên, đối với mã chuyên sâu toán học song song, bạn có thể muốn sử dụng GPU của mình. Cả C và Fortran đều có giao diện CUDA / OpenCL tích hợp ít nhiều (và giờ là OpenACC).

Câu trả lời khách quan vừa phải của tôi là: Nếu bạn biết cả hai ngôn ngữ đều kém / kém thì tôi nghĩ Fortran nhanh hơn vì tôi thấy việc viết mã song song / phân tán trong Fortran dễ dàng hơn C. (một khi bạn hiểu rằng bạn có thể viết fortran "freeform" và không chỉ mã F77 nghiêm ngặt)

Đây là câu trả lời thứ 2 cho những người sẵn sàng đánh giá thấp tôi vì họ không thích câu trả lời thứ nhất: Cả hai ngôn ngữ đều có các tính năng cần thiết để viết mã hiệu suất cao. Vì vậy, nó phụ thuộc vào thuật toán bạn đang triển khai (cpu chuyên sâu? Io chuyên sâu? Bộ nhớ?), Phần cứng (cpu? Đa lõi? Phân phối siêu máy tính? GPGPU? FPGA?), Kỹ năng của bạn và cuối cùng là trình biên dịch. Cả C và Fortran đều có trình biên dịch tuyệt vời. (Tôi thực sự ngạc nhiên về trình biên dịch Fortran tiên tiến nhưng trình biên dịch C cũng vậy).

PS: Tôi rất vui vì bạn đã loại trừ libs một cách cụ thể vì tôi có rất nhiều điều tồi tệ để nói về libs GUI của Fortran. :)

Tôi đã làm một số toán học mở rộng với FORTRAN và C trong một vài năm. Từ kinh nghiệm của bản thân, tôi có thể nói rằng FORTRAN đôi khi thực sự tốt hơn C nhưng không phải vì tốc độ của nó (người ta có thể khiến C hoạt động nhanh như FORTRAN bằng cách sử dụng kiểu mã hóa phù hợp) mà là do các thư viện được tối ưu hóa rất tốt như LAPACK và vì song song lớn. Theo ý kiến ​​của tôi, FORTRAN thực sự rất khó xử lý và các ưu điểm của nó không đủ tốt để loại bỏ nhược điểm đó, vì vậy bây giờ tôi đang sử dụng C + GSL để thực hiện các phép tính.

Bất kỳ sự khác biệt về tốc độ giữa Fortran và C sẽ là một chức năng tối ưu hóa trình biên dịch và thư viện toán học cơ bản được sử dụng bởi trình biên dịch cụ thể. Không có gì nội tại đối với Fortran sẽ làm cho nó nhanh hơn C.

Dù sao, một lập trình viên giỏi có thể viết Fortran bằng bất kỳ ngôn ngữ nào.

Tôi chưa nghe nói rằng Fortan nhanh hơn đáng kể so với C, nhưng nó có thể hiểu được trong một số trường hợp, nó sẽ nhanh hơn. Và chìa khóa không nằm ở các tính năng ngôn ngữ có mặt, mà là ở những tính năng (thường) vắng mặt.

Một ví dụ là con trỏ C. Con trỏ C được sử dụng khá nhiều ở mọi nơi, nhưng vấn đề với con trỏ là trình biên dịch thường không thể biết liệu chúng có trỏ đến các phần khác nhau của cùng một mảng hay không.

Ví dụ: nếu bạn đã viết một thói quen strcpy trông như thế này:

strcpy(char *d, const char* s)
{
  while(*d++ = *s++);
}

Trình biên dịch phải làm việc theo giả định rằng d và s có thể là các mảng chồng lấp. Vì vậy, nó không thể thực hiện tối ưu hóa sẽ tạo ra kết quả khác nhau khi các mảng trùng nhau. Như bạn mong đợi, điều này hạn chế đáng kể loại tối ưu hóa có thể được thực hiện.

[Tôi nên lưu ý rằng C99 có một từ khóa "hạn chế" rõ ràng cho các trình biên dịch rằng các con trỏ không trùng nhau. Cũng lưu ý rằng Fortran cũng có con trỏ, với ngữ nghĩa khác với C, nhưng con trỏ không phổ biến như trong C.]

Nhưng quay trở lại vấn đề C so với Fortran, có thể hình dung rằng trình biên dịch Fortran có thể thực hiện một số tối ưu hóa có thể không thực hiện được đối với chương trình C (được viết đơn giản). Vì vậy, tôi sẽ không quá ngạc nhiên bởi yêu cầu này. Tuy nhiên, tôi hy vọng rằng sự khác biệt hiệu suất sẽ không nhiều như vậy. [~ 5-10%]

Nhanh chóng và đơn giản: Cả hai đều nhanh như nhau, nhưng Fortran đơn giản hơn. Cái gì thực sự nhanh hơn cuối cùng phụ thuộc vào thuật toán, nhưng dù sao cũng không có sự khác biệt về tốc độ. Đây là những gì tôi học được trong một hội thảo về Fortran tại trung tâm điện toán hiệu năng cao, trụ sở ở Đức năm 2015. Tôi làm việc với cả Fortran và C và chia sẻ ý kiến ​​này.

Giải trình:

C được thiết kế để viết hệ điều hành. Do đó, nó có nhiều tự do hơn cần thiết để viết mã hiệu suất cao. Nói chung, điều này không có vấn đề gì, nhưng nếu không lập trình cẩn thận, người ta có thể dễ dàng làm chậm mã.

Fortran được thiết kế để lập trình khoa học. Vì lý do này, nó hỗ trợ viết mã cú pháp nhanh, vì đây là mục đích chính của Fortran. Trái ngược với dư luận, Fortran không phải là ngôn ngữ lập trình lỗi thời. Tiêu chuẩn mới nhất của nó là năm 2010 và các trình biên dịch mới được xuất bản một cách thường xuyên, vì hầu hết các mã hiệu suất cao được viết ở Fortran. Fortran tiếp tục hỗ trợ các tính năng hiện đại như các chỉ thị của trình biên dịch (trong C pragmas).

Ví dụ: Chúng tôi muốn đưa ra một cấu trúc lớn làm đối số đầu vào cho hàm (fortran: chương trình con). Trong hàm, đối số không bị thay đổi.

C hỗ trợ cả hai, gọi theo tham chiếu và gọi theo giá trị, đây là một tính năng tiện dụng. Trong trường hợp của chúng tôi, lập trình viên có thể vô tình sử dụng cuộc gọi theo giá trị. Điều này làm chậm mọi thứ đáng kể, vì cấu trúc cần được sao chép trong bộ nhớ trước.

Fortran chỉ làm việc với cuộc gọi bằng cách tham chiếu, điều này buộc lập trình viên phải sao chép cấu trúc bằng tay, nếu anh ta thực sự muốn một cuộc gọi bằng thao tác giá trị. Trong trường hợp của chúng tôi, fortran sẽ tự động nhanh như phiên bản C với cuộc gọi theo tham chiếu.

Nói chung FORTRAN chậm hơn C. C có thể sử dụng các con trỏ mức phần cứng cho phép lập trình viên tối ưu hóa bằng tay. FORTRAN (trong hầu hết các trường hợp) không có quyền truy cập vào các bản hack địa chỉ bộ nhớ phần cứng. (VAX FORTRAN là một câu chuyện khác.) Tôi đã sử dụng và tắt FORTRAN kể từ những năm 70. (Có thật không.)

Tuy nhiên, bắt đầu từ thập niên 90, FORTRAN đã phát triển để bao gồm các cấu trúc ngôn ngữ cụ thể có thể được tối ưu hóa thành các thuật toán song song vốn có thể thực sự hét lên trên bộ xử lý đa lõi. Ví dụ, Vectorizing tự động cho phép nhiều bộ xử lý xử lý đồng thời từng phần tử trong một vectơ dữ liệu. 16 bộ xử lý - 16 phần tử vector - quá trình xử lý mất 1/16 thời gian.

Trong C, bạn phải quản lý các luồng của riêng mình và thiết kế thuật toán của bạn một cách cẩn thận để đa xử lý, sau đó sử dụng một loạt các lệnh gọi API để đảm bảo rằng sự song song xảy ra đúng.

Trong FORTRAN, bạn chỉ phải thiết kế thuật toán của mình một cách cẩn thận để đa xử lý. Trình biên dịch và thời gian chạy có thể xử lý phần còn lại cho bạn.

Bạn có thể đọc một chút về Fortran hiệu suất cao , nhưng bạn tìm thấy rất nhiều liên kết chết. Tốt hơn hết là bạn nên đọc về Lập trình song song (như OpenMP.org ) và cách FORTRAN hỗ trợ điều đó.

Mã nhanh hơn không thực sự phù hợp với ngôn ngữ, là trình biên dịch để bạn có thể thấy "trình biên dịch" ms-vb tạo ra mã đối tượng cồng kềnh, chậm hơn và dư thừa được gắn với nhau bên trong một ".exe", nhưng powerBasic tạo ra quá cách mã tốt hơn. Mã đối tượng được tạo bởi trình biên dịch C và C ++ được tạo trong một số pha (ít nhất là 2) nhưng theo thiết kế, hầu hết các trình biên dịch Fortran có ít nhất 5 pha bao gồm tối ưu hóa mức cao, do đó, theo thiết kế, Fortran sẽ luôn có khả năng tạo mã được tối ưu hóa cao. Vì vậy, cuối cùng là trình biên dịch không phải là ngôn ngữ bạn nên yêu cầu, trình biên dịch tốt nhất mà tôi biết là Trình biên dịch Intel Fortran vì bạn có thể tải nó trên LINUX và Windows và bạn có thể sử dụng VS làm IDE, nếu bạn đang tìm kiếm trình biên dịch tigh giá rẻ bạn luôn có thể chuyển tiếp trên OpenWatcom.

Thông tin thêm về điều này: http://ed-thelen.org/1401Project/1401-IBM-Systems-Journal-FORTRAN.html

Fortran có các thói quen I / O tốt hơn, ví dụ, cơ sở do ngụ ý mang lại sự linh hoạt mà thư viện chuẩn của C không thể phù hợp.

Trình biên dịch Fortran trực tiếp xử lý cú pháp phức tạp hơn có liên quan và vì cú pháp như vậy không thể dễ dàng chuyển thành dạng chuyển đối số, C không thể thực hiện nó một cách hiệu quả.

Sử dụng các tiêu chuẩn và trình biên dịch hiện đại, không!

Một số người ở đây đã gợi ý rằng FORTRAN nhanh hơn vì trình biên dịch không cần phải lo lắng về việc khử răng cưa (và do đó có thể đưa ra nhiều giả định trong quá trình tối ưu hóa). Tuy nhiên, điều này đã được xử lý trong C kể từ tiêu chuẩn C99 (tôi nghĩ) với việc bao gồm từ khóa hạn chế. Về cơ bản, nó cho trình biên dịch biết rằng trong phạm vi cho trước, con trỏ không được đặt bí danh. Hơn nữa, C cho phép số học con trỏ thích hợp, trong đó những thứ như răng cưa có thể rất hữu ích về mặt hiệu suất và phân bổ tài nguyên. Mặc dù tôi nghĩ rằng phiên bản gần đây hơn của FORTRAN cho phép sử dụng các con trỏ "phù hợp".

Đối với việc triển khai hiện đại, C nói chung vượt trội so với FORTRAN (mặc dù nó cũng rất nhanh).

http://benchmarkgame.alioth.debian.org/u64q/fortran.html

BIÊN TẬP:

Một lời chỉ trích công bằng về điều này dường như là điểm chuẩn có thể bị sai lệch. Đây là một nguồn khác (liên quan đến C) đặt kết quả trong nhiều ngữ cảnh hơn:

http://julialang.org/benchmark/

Bạn có thể thấy rằng C thường vượt trội hơn Fortran trong hầu hết các trường hợp (một lần nữa cũng thấy những lời chỉ trích dưới đây cũng áp dụng ở đây); như những người khác đã tuyên bố, điểm chuẩn là một khoa học không chính xác, có thể dễ dàng tải để ưu tiên một ngôn ngữ hơn các ngôn ngữ khác. Nhưng nó đặt trong bối cảnh làm thế nào Fortran và C có hiệu suất tương tự.

Fortran có thể xử lý mảng, đặc biệt là mảng đa chiều, rất thuận tiện. Các phần tử cắt của mảng đa chiều trong Fortran có thể dễ dàng hơn nhiều so với C / C ++. C ++ hiện có các thư viện có thể thực hiện công việc, chẳng hạn như Boost hoặc Eigen, nhưng chúng nằm sau tất cả các thư viện bên ngoài. Trong Fortran các chức năng này là nội tại.

Việc Fortran nhanh hơn hay thuận tiện hơn để phát triển chủ yếu phụ thuộc vào công việc bạn cần hoàn thành. Là một người tính toán khoa học cho địa vật lý, tôi đã thực hiện hầu hết các tính toán ở Fortran (ý tôi là Fortran hiện đại,> = F90).

Điều này là nhiều hơn một chút chủ quan, bởi vì nó đi vào chất lượng của trình biên dịch và nhiều hơn bất cứ điều gì khác. Tuy nhiên, để trả lời trực tiếp hơn câu hỏi của bạn, nói từ quan điểm ngôn ngữ / trình biên dịch, không có gì về Fortran trên C sẽ làm cho nó nhanh hơn hoặc tốt hơn C. Nếu bạn đang thực hiện các phép toán nặng, nó sẽ đi xuống chất lượng của trình biên dịch, kỹ năng của lập trình viên trong từng ngôn ngữ và các thư viện hỗ trợ toán học nội tại hỗ trợ các hoạt động đó để cuối cùng xác định cái nào sẽ nhanh hơn cho việc thực hiện nhất định.

EDIT: Những người khác như @Nils đã đưa ra quan điểm tốt về sự khác biệt trong việc sử dụng con trỏ trong C và khả năng bí danh có lẽ làm cho việc triển khai ngây thơ nhất trong C. Tuy nhiên, có nhiều cách để giải quyết điều đó trong C99 , thông qua các cờ tối ưu hóa trình biên dịch và / hoặc trong cách viết C thực sự được viết. Điều này cũng được đề cập trong câu trả lời @Nils và các bình luận tiếp theo sau câu trả lời của anh ấy.

Hầu hết các bài viết đã trình bày các lập luận hấp dẫn, vì vậy tôi sẽ chỉ thêm 2 xu tục ngữ vào một khía cạnh khác.

Cuối cùng, fortran nhanh hơn hoặc chậm hơn về sức mạnh xử lý có thể có tầm quan trọng của nó, nhưng nếu phải mất gấp 5 lần thời gian để phát triển một thứ gì đó ở Fortran vì:

• nó thiếu bất kỳ thư viện tốt nào cho các nhiệm vụ khác với crunching số thuần túy
• nó thiếu bất kỳ công cụ tử tế nào cho tài liệu và kiểm tra đơn vị
• đó là một ngôn ngữ có độ biểu cảm rất thấp, tăng vọt số lượng dòng mã.
• nó có khả năng xử lý chuỗi rất kém
• nó có một số lượng lớn các vấn đề trong số các trình biên dịch và kiến ​​trúc khác nhau khiến bạn phát điên.
• nó có một chiến lược IO rất kém (ĐỌC / VIẾT các tệp tuần tự. Có, các tệp truy cập ngẫu nhiên tồn tại nhưng bạn đã bao giờ thấy chúng được sử dụng chưa?)
• nó không khuyến khích thực hành phát triển tốt, mô đun hóa.
• thiếu hiệu quả một trình biên dịch mã nguồn mở hoàn toàn chuẩn, tuân thủ đầy đủ (cả gfortran và g95 đều không hỗ trợ mọi thứ)
• khả năng tương tác rất kém với C (mangling: một dấu gạch dưới, hai dấu gạch dưới, không có dấu gạch dưới, nói chung là một dấu gạch dưới nhưng hai nếu có một dấu gạch dưới khác.

Sau đó, vấn đề là không liên quan. Nếu một cái gì đó chậm, hầu hết thời gian bạn không thể cải thiện nó vượt quá giới hạn nhất định. Nếu bạn muốn một cái gì đó nhanh hơn, thay đổi thuật toán. Cuối cùng, thời gian máy tính là rẻ. Thời gian của con người là không. Giá trị sự lựa chọn làm giảm thời gian của con người. Nếu nó làm tăng thời gian máy tính, dù sao nó cũng có hiệu quả về chi phí.

Theo truyền thống, Fortran không đặt các tùy chọn như -fp: rict (mà ifort yêu cầu kích hoạt một số tính năng trong USE IEEE_arithatures, một phần của tiêu chuẩn f2003). Intel C ++ cũng không đặt -fp: nghiêm ngặt như một mặc định, nhưng điều đó là bắt buộc để xử lý ERRNO, chẳng hạn, và các trình biên dịch C ++ khác không giúp tắt ERRNO một cách thuận tiện hoặc giảm tối ưu hóa như giảm simd. gcc và g ++ đã yêu cầu tôi thiết lập Makefile để tránh sử dụng kết hợp nguy hiểm -O3 -ffast-math -fopenmp -march = tự nhiên. Khác với những vấn đề này, câu hỏi về hiệu suất tương đối trở nên kén chọn hơn và phụ thuộc vào các quy tắc địa phương về lựa chọn trình biên dịch và tùy chọn.