Le Fortran est-il plus facile à optimiser que le C pour les calculs lourds ?

Question

De temps en temps, je lis que Fortran est ou peut être plus rapide que C pour les calculs lourds. Est-ce vraiment vrai ? Je dois admettre que je connais à peine le Fortran, mais le code Fortran que j'ai vu jusqu'à présent ne montrait pas que ce langage avait des caractéristiques que le C n'avait pas.

Si c'est vrai, dites-moi pourquoi. Ne me dites pas quels langages ou librairies sont bons pour le calcul, je n'ai pas l'intention d'écrire une application ou une librairie pour faire cela, je suis juste curieux.

Answer 1

Ces langues ont des caractéristiques similaires. La différence de performance vient du fait que le Fortran interdit l'aliasing, sauf si une instruction EQUIVALENCE est utilisée. Tout code comportant un aliasing n'est pas un Fortran valide, mais c'est au programmeur et non au compilateur de détecter ces erreurs. Ainsi, les compilateurs Fortran ignorent l'aliasing éventuel des pointeurs mémoire et leur permettent de générer un code plus efficace. Jetez un coup d'oeil à ce petit exemple en 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;
    }
}

Cette fonction s'exécuterait plus lentement que son homologue en Fortran après optimisation. Pourquoi ? Si vous écrivez des valeurs dans le tableau de sortie, vous risquez de modifier les valeurs de la matrice. Après tout, les pointeurs pourraient se chevaucher et pointer sur le même morceau de mémoire (y compris le tableau de sortie). int pointeur !). Le compilateur C est obligé de recharger les quatre valeurs de la matrice depuis la mémoire pour tous les calculs.

En Fortran, le compilateur peut charger les valeurs de la matrice une fois et les stocker dans des registres. Il peut le faire car le compilateur Fortran suppose que les pointeurs/réseaux ne se chevauchent pas en mémoire.

Heureusement, le restrict et l'anticrénelage strict ont été introduits dans la norme C99 pour résoudre ce problème. Ils sont également bien supportés par la plupart des compilateurs C++ de nos jours. Le mot-clé permet de donner au compilateur une indication que le programmeur promet qu'un pointeur ne s'aliasera pas avec un autre pointeur. L'aliasage strict signifie que le programmeur promet que des pointeurs de type différent ne se chevaucheront jamais, par exemple un pointeur double* ne se chevauchera pas avec une int* (avec l'exception spécifique que char* y void* peut se chevaucher avec n'importe quoi).

Si vous les utilisez, vous obtiendrez la même vitesse en C et en Fortran. Cependant, la possibilité d'utiliser les restrict Le fait de n'utiliser le mot-clé qu'avec les fonctions essentielles aux performances signifie que les programmes C (et C++) sont beaucoup plus sûrs et plus faciles à écrire. Par exemple, considérez le code Fortran invalide : CALL TRANSFORM(A(1, 30), A(2, 31), A(3, 32), 30) que la plupart des compilateurs Fortran compileront sans aucun avertissement, mais qui introduit un bogue qui n'apparaît que dans certains compilateurs, sur certains matériels et avec certaines options d'optimisation.

Answer 2

Oui, en 1980 ; en 2008 ? ça dépend

Lorsque j'ai commencé à programmer professionnellement, la domination de Fortran en termes de vitesse était tout juste remise en question. Je me souviens Je l'ai lu dans le Dr. Dobbs et j'ai parlé de l'article aux programmeurs plus âgés - ils ont ri.

J'ai donc deux points de vue à ce sujet, théorique et pratique. En théorie Aujourd'hui, Fortran n'a aucun avantage intrinsèque par rapport à C/C++ ou même à tout autre langage permettant le code d'assemblage. En pratique Fortran bénéficie encore aujourd'hui des avantages de l'héritage d'une histoire et d'une culture construites autour de l'optimisation du code numérique.

Jusqu'à Fortran 77 inclus, les considérations relatives à la conception du langage avaient pour objectif principal l'optimisation. En raison de l'état de la théorie et de la technologie des compilateurs, cela signifiait souvent en restreignant afin de donner au compilateur les meilleures chances d'optimiser le code. Une bonne analogie consiste à considérer Fortran 77 comme une voiture de course professionnelle qui sacrifie des fonctionnalités pour la vitesse. De nos jours, les compilateurs se sont améliorés dans tous les langages et les fonctionnalités destinées à améliorer la productivité des programmeurs sont plus appréciées. Cependant, il existe encore des endroits où les gens sont principalement préoccupés par la vitesse dans le calcul scientifique ; ces personnes ont très probablement hérité du code, de la formation et de la culture de personnes qui étaient elles-mêmes des programmeurs Fortran.

Lorsque l'on commence à parler d'optimisation du code, les questions sont nombreuses et la meilleure façon de s'en faire une idée est de de rôder là où se trouvent les gens dont le métier est d'avoir un code numérique rapide. . Mais gardez à l'esprit que ce code critiquement sensible ne représente généralement qu'une petite fraction du nombre total de lignes de code et qu'il est très spécialisé : Une grande partie du code Fortran est tout aussi "inefficace" qu'une grande partie du code dans d'autres langages et dans d'autres domaines. l'optimisation ne devrait même pas être une préoccupation majeure d'un tel code .

wikipedia est un excellent point de départ pour découvrir l'histoire et la culture de Fortran. L'entrée Fortran sur Wikipedia est superbe et j'apprécie beaucoup ceux qui ont pris le temps et l'effort de le rendre utile à la communauté Fortran.

(Une version abrégée de cette réponse aurait été un commentaire dans l'excellent fil de discussion lancé par Nils mais je n'ai pas le karma pour faire ça. En fait, je n'aurais probablement rien écrit du tout si ce fil de discussion ne contenait pas d'informations et de partages réels, par opposition aux guerres de mots et au fanatisme linguistique, ce qui est ma principale expérience avec ce sujet. J'ai été submergé et j'ai dû partager l'amour).

Answer 3

Dans une certaine mesure, Fortran a été conçu en tenant compte de l'optimisation du compilateur. Le langage prend en charge les opérations sur des tableaux entiers où les compilateurs peuvent exploiter le parallélisme (en particulier sur les processeurs multicœurs). Par exemple,

La multiplication des matrices denses est simple :

matmul(a,b)

La norme L2 d'un vecteur x est :

sqrt(sum(x**2))

En outre, des déclarations telles que FORALL , PURE & ELEMENTAL etc. contribuent à l'optimisation du code. Même les pointeurs en Fortran ne sont pas aussi flexibles qu'en C pour cette simple raison.

La prochaine norme Fortran (2008) comporte des co-arrays qui vous permettent d'écrire facilement du code parallèle. G95 (open source) et les compilateurs de CRAY le supportent déjà.

Donc oui, Fortran peut être rapide simplement parce que les compilateurs peuvent l'optimiser/paralléliser mieux que C/C++. Mais encore une fois, comme tout dans la vie, il y a de bons et de mauvais compilateurs.

Answer 4

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles Fortran pourrait être plus rapide. Cependant, elles sont si peu importantes ou peuvent être contournées de toute façon qu'elles ne devraient pas avoir d'importance. La principale raison d'utiliser Fortran de nos jours est de maintenir ou d'étendre les applications existantes.

• Mots clés PURE et ELEMENTAL sur les fonctions. Ce sont des fonctions qui n'ont pas d'effets secondaires. Cela permet des optimisations dans certains cas où le compilateur sait que la même fonction sera appelée avec les mêmes valeurs. Note : GCC implémente "pure" comme une extension du langage. D'autres compilateurs peuvent également le faire. L'analyse inter-module peut également effectuer cette optimisation mais c'est difficile.

• ensemble standard de fonctions qui traitent des tableaux, et non des éléments individuels. Des fonctions comme sin(), log(), sqrt() prennent des tableaux au lieu de scalaires. Cela rend plus facile l'optimisation de la routine. L'auto-vectorisation donne les mêmes avantages dans la plupart des cas si ces fonctions sont en ligne ou builtins.

• Type complexe intégré. En théorie, cela pourrait permettre au compilateur de réorganiser ou d'éliminer certaines instructions dans certains cas, mais il est probable que vous verriez le même avantage avec le type complexe struct { double re; double im; }; idiome utilisé en C. Il permet cependant un développement plus rapide car les opérateurs travaillent sur des types complexes en Fortran.

Answer 5

Je pense que le point clé en faveur de Fortran est que c'est un langage légèrement plus adapté à l'expression des mathématiques basées sur les vecteurs et les tableaux. Le problème de l'analyse des pointeurs évoqué plus haut est réel en pratique, puisque le code portable ne peut pas vraiment supposer que vous pouvez dire quelque chose au compilateur. Il y a TOUJOURS un avantage à exprimer les calculs d'une manière plus proche de la façon dont le domaine se présente. Le C n'a pas vraiment de tableaux, si vous regardez de près, juste quelque chose qui se comporte comme tel. Fortran a de vrais tableaux. Ce qui le rend plus facile à compiler pour certains types d'algorithmes, en particulier pour les machines parallèles.

En ce qui concerne le système d'exécution et les conventions d'appel, le C et le Fortran moderne sont suffisamment similaires pour qu'il soit difficile de voir ce qui pourrait faire la différence. Notez que le C ici est vraiment le C de base : le C++ est un problème totalement différent avec des caractéristiques de performance très différentes.