Điều gì làm cho Fortran nhanh?

Fortran có một vị trí đặc biệt trong lập trình số. Bạn chắc chắn có thể tạo ra phần mềm tốt và nhanh bằng các ngôn ngữ khác, nhưng Fortran vẫn hoạt động rất tốt mặc dù tuổi của nó. Hơn nữa, việc tạo các chương trình nhanh ở Fortran dễ dàng hơn. Tôi đã tạo các chương trình nhanh trong C ++, nhưng bạn phải cẩn thận hơn về những thứ như răng cưa con trỏ. Vì vậy, phải có một lý do cho việc này, và một lý do rất kỹ thuật. Có phải vì trình biên dịch có thể tối ưu hóa nhiều hơn? Tôi thực sự muốn biết chi tiết kỹ thuật, vì vậy nếu tôi sử dụng ngôn ngữ khác, tôi có thể cân nhắc những điều này.

Ví dụ, tôi biết - hoặc vì vậy tôi nghĩ - có một điều là tiêu chuẩn quy định rằng các con trỏ luôn nằm trong bộ nhớ luôn có nghĩa là truy cập bộ nhớ nhanh hơn. Tôi tin rằng bạn có thể làm điều này trong C ++ bằng cách đưa cờ cho trình biên dịch. Bằng cách này, nó giúp biết Fortran làm gì tốt, để nếu sử dụng ngôn ngữ khác, chúng ta có thể bắt chước điều này.

Các nhà thiết kế ngôn ngữ phải đối mặt với nhiều sự lựa chọn. Ken Kennedy nhấn mạnh hai: (1) trừu tượng tốt hơn và (2) mã cấp cao hơn hoặc thấp hơn (ít hơn hoặc giống máy hơn). Trong khi các ngôn ngữ chức năng như Haskell và Scheme tập trung vào ngôn ngữ cũ, các ngôn ngữ điện toán khoa học truyền thống như Fortran và C / C ++ tập trung vào ngôn ngữ sau. Nói rằng một ngôn ngữ nhanh hơn ngôn ngữ khác thường khá sai lệch: mỗi ngôn ngữ có một miền vấn đề mà nó vượt trội. Fortran giá vé tốt hơn trong lĩnh vực mã số dựa trên mảng so với các ngôn ngữ khác vì hai lý do cơ bản: mô hình mảng và nhân chứng của nó.

Mô hình mảng

Lập trình viên Fortran phần lớn làm các thao tác mảng. Do đó, Fortran tạo điều kiện cho một số tối ưu hóa trình biên dịch không có sẵn trong các ngôn ngữ khác. Ví dụ tốt nhất là vector hóa: biết cách bố trí dữ liệu cho phép trình biên dịch gọi các nội tại ở cấp độ lắp ráp qua mảng.

Nhân chứng ngôn ngữ

Mặc dù có vẻ như một ngôn ngữ đơn giản sẽ biên dịch "tốt hơn" so với ngôn ngữ phức tạp hơn, nhưng thực sự không phải vậy. Khi một người viết bằng ngôn ngữ hợp ngữ , không có nhiều trình biên dịch có thể làm được: tất cả những gì nó thấy là các hướng dẫn chi tiết rất tốt. Fortran yêu cầu nhân chứng (do đó, lập trình viên làm việc nhiều hơn) chỉ trong các trường hợp mang lại phần thưởng thực sự cho điện toán dựa trên mảng. Fortran sử dụng các kiểu dữ liệu đơn giản, luồng điều khiển cơ bản và không gian tên hạn chế; ngược lại, nó không cho máy tính biết cách tải các thanh ghi (có thể cần thiết cho thời gian thực ). Nơi Fortran là rõ ràng, nó cho phép những thứ như hoàn toàn suy luận kiểu, giúp người mới để bắt đầu. Nó cũng tránh một điều thường làm C chậm:con trỏ đục .

Fortran có thể chậm

Fortran không nhanh cho mọi nhiệm vụ: đó là lý do tại sao không có nhiều người sử dụng nó để xây dựng GUI hoặc thậm chí cho máy tính khoa học không có cấu trúc cao. Khi bạn rời khỏi thế giới của mảng cho đồ thị, cây quyết định và các lĩnh vực khác, lợi thế tốc độ này nhanh chóng biến mất. Xem điểm chuẩn ngôn ngữ máy tính cho một số ví dụ và số.

Thiết kế của Fortran cho phép trình biên dịch thực hiện tối ưu hóa mạnh hơn trong một số trường hợp, tối ưu hóa thường không có sẵn cho C.

Một ví dụ nổi tiếng là việc xử lý răng cưa . Trong Fortran, bạn chỉ có thể truy cập vào một vùng nhớ cụ thể mặc dù biểu tượng cụ thể được liên kết với vùng nhớ đó. Kiến thức này cho phép trình biên dịch sử dụng các thủ thuật thông minh khi đến lúc lưu vào bộ đệm: nó biết liệu một giá trị có khả năng thay đổi hay không. Cho đến F90, điều này đã được xác minh dễ dàng. Khi Fortran 90 được giới thiệu pointers, giả định không còn đúng nữa: bạn có thể truy cập cùng một vùng nhớ thông qua hai (hoặc nhiều) biểu tượng. Đây là lý do tại sao bạn phải chỉ định targetcác mảng bạn muốn giải quyết thông qua con trỏ.

Một sự thật thú vị khác là nhiều cấu trúc cho phép trình biên dịch thực hiện song song mà không cần sự can thiệp của người dùng. Sự xa xỉ như vậy là có thể do "thuyết bất khả tri" tương đối của Fortran như một ngôn ngữ.

Có nhiều thủ thuật tinh vi khác như thế này. Ngoài ra, hãy nhớ rằng không ai sử dụng Fortran ngày hôm nay, ngoại trừ tính toán bằng số, có nghĩa là tính năng cốt lõi và điểm bán của trình biên dịch Fortran là tốc độ mã kết quả. Do đó, các nhà cung cấp tập trung vào điều này.

Tuy nhiên, bạn cũng có thể tạo mã hiệu suất với các ngôn ngữ khác. Tuy nhiên, nó có thể cần sự chăm sóc đặc biệt hoặc sự can thiệp của con người. Tuy nhiên, điểm chung là hiệu suất không phải là vấn đề cho đến khi có vấn đề và thời gian của con người đắt hơn thời gian của máy tính. Vì vậy, thực hành mã hóa nên tập trung vào việc tiết kiệm thời gian của con người, thay vì thời gian của máy tính.

Tôi không nghĩ Fortran gần với kim loại (xem câu trả lời khác) nhưng nó có xu hướng tối ưu hóa rất dễ dàng. Các vòng lặp rất đơn giản và ngôn ngữ dễ dàng hỗ trợ các phần mở rộng vector hóa (không sao khi tôi sử dụng nó trong công việc đầu tiên của mình, chúng tôi đã nhắm mục tiêu vào một loạt các vectơ sắt lớn).

Ngoài ra còn có yếu tố quán tính lớn. Rất nhiều mã số có trong Fortran, vì vậy các nhà xây dựng máy chủ và siêu máy tính cao cấp đảm bảo họ viết các trình biên dịch Fortran tối ưu hóa tốt. Trình biên dịch tốt (ngay cả trên các máy thiếu trình biên dịch chất lượng cao), vì vậy người dùng tiếp tục sử dụng Fortran và thậm chí viết mã mới trong đó. Vì vậy, các nhà xây dựng đảm bảo thế hệ tiếp theo của họ có trình biên dịch tốt, v.v ...

Hãy cẩn thận của những huyền thoại đô thị ở đây. Nếu hai trình biên dịch tạo cùng mã lắp ráp, thì các chương trình kết quả sẽ có cùng hiệu suất.

Đối với bất kỳ đoạn logic đã cho nào, có một chương trình bằng ngôn ngữ lắp ráp giúp giảm thiểu thời gian thực hiện của nó. Chương trình đó không quan tâm trình biên dịch nào tạo ra nó.

Điều đó nói rằng, các ngôn ngữ được biên dịch tồn tại để làm cho cuộc sống dễ dàng hơn cho các lập trình viên. Một phần chi phí của việc này là họ có thể cám dỗ người dùng sử dụng các tính năng không dẫn đến thời gian thực hiện tối thiểu. Ví dụ điển hình của điều này là newtrong C ++. (Nó có thể chậm đến mức nào - chỉ có ba ký tự?) Nó thực tế cầu xin bạn phân bổ động bộ nhớ và không chú ý đến chi phí thời gian chạy. Nếu đó là những gì bạn muốn làm, điều đó thật tuyệt vời, nhưng Fortran có thể nhanh hơn chỉ vì nó không khiến bạn phải làm điều đó.

Nhưng vượt xa điều đó, tôi chưa bao giờ thấy một chương trình nào, như được viết lần đầu tiên, không có chỗ chính để cải thiện hiệu năng của loại trình biên dịch không bao giờ có thể dọn sạch cho bạn. Lấy một ví dụ, dành một phần lớn thời gian gọi expvà / hoặc loglặp đi lặp lại với cùng một đối số. Một ví dụ khác, gọi DGEMM để nhân ma trận và phát hiện ra rằng một phần lớn thời gian sẽ gọi LSAME chỉ để giải mã các đối số ký tự đầu vào của nó.

Điều này đồng thời với việc mọi người đang nói Fortran nhanh hơn do răng cưa hoặc không kiểm soát vòng lặp. Điều đó giống như nói một chiếc xe buýt do Porsche sản xuất chắc chắn sẽ nhanh hơn một chiếc xe buýt do Chevrolet sản xuất. Cần phải có một chút ý nghĩa thông thường.