我不时地读到Fortran在繁重的计算中比C更快。这是真的吗?我必须承认我几乎不懂Fortran,但是到目前为止我看到的Fortran代码并没有显示出该语言具有C语言所不具备的特性。
如果是真的,请告诉我原因。请不要告诉我什么语言或库适合处理数字,我不打算写一个应用程序或库来做这个,我只是好奇。
我不时地读到Fortran在繁重的计算中比C更快。这是真的吗?我必须承认我几乎不懂Fortran,但是到目前为止我看到的Fortran代码并没有显示出该语言具有C语言所不具备的特性。
如果是真的,请告诉我原因。请不要告诉我什么语言或库适合处理数字,我不打算写一个应用程序或库来做这个,我只是好奇。
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简单快捷: 这两种语言同样快,但Fortran更简单。 到底哪个更快取决于算法,但无论如何,速度上没有很大的差别。这是我2015年在德国斯图加德高性能计算中心的Fortran研讨会上所学到的。我同时使用Fortran和C语言,我也有同样的观点。
解释:
C语言是用来编写操作系统的。因此,它拥有编写高性能代码所需的更多自由。一般来说,这是没有问题的,但是如果一个人不仔细编程,他很容易减慢代码的速度。
Fortran是为科学编程而设计的。因此,它支持编写语法方面的快速代码,因为这是Fortran的主要目的。与公众的看法相反,Fortran并不是一种过时的编程语言。它的最新标准是2010年,新的编译器定期发布,因为大多数高性能代码都是用Fortran编写的。Fortran进一步支持现代功能,如编译器指令(在C语言中)。
例子: 我们想给一个大的结构体作为函数的输入参数(fortran: suboutine)。在函数中,参数不会被改变。
C同时支持引用调用和值调用,这是一个非常方便的特性。在我们的例子中,程序员可能会意外地使用按值调用。这大大降低了速度,因为需要首先将结构体复制到内存中。
Fortran只使用引用调用,这迫使程序员手动复制结构,如果他真的想要按值调用操作。在我们的例子中,通过引用调用,fortran将自动和C版本一样快。
其他回答
There is another item where Fortran is different than C - and potentially faster. Fortran has better optimization rules than C. In Fortran, the evaluation order of an expressions is not defined, which allows the compiler to optimize it - if one wants to force a certain order, one has to use parentheses. In C the order is much stricter, but with "-fast" options, they are more relaxed and "(...)" are also ignored. I think Fortran has a way which lies nicely in the middle. (Well, IEEE makes the live more difficult as certain evaluation-order changes require that no overflows occur, which either has to be ignored or hampers the evaluation).
另一个更聪明的规则领域是复数。这不仅是因为直到c99才有了它们,而且Fortran中管理它们的规则更好;由于gfortran的Fortran库部分是用C编写的,但实现了Fortran语义,GCC获得了这个选项(也可以用于“普通”C程序):
-fcx-fortran-rules 复杂的乘法和除法遵循Fortran规则。范围缩减是作为复杂除法的一部分进行的,但是没有检查复杂乘法或除法的结果是否是“NaN + I*NaN”,试图在这种情况下挽救这种情况。
The alias rules mentioned above is another bonus and also - at least in principle - the whole-array operations, which if taken properly into account by the optimizer of the compiler, can lead faster code. On the contra side are that certain operation take more time, e.g. if one does an assignment to an allocatable array, there are lots of checks necessary (reallocate? [Fortran 2003 feature], has the array strides, etc.), which make the simple operation more complex behind the scenes - and thus slower, but makes the language more powerful. On the other hand, the array operations with flexible bounds and strides makes it easier to write code - and the compiler is usually better optimizing code than a user.
总的来说,我认为C和Fortran的速度差不多;选择应该更多的是你更喜欢哪种语言,或者是使用Fortran的全数组操作及其更好的可移植性更有用,还是使用C中更好的系统接口和图形用户界面库。
没有一种语言比另一种语言更快,所以正确的答案是否定的。
你真正要问的是“用Fortran编译器X编译的代码是否比用C编译器Y编译的等效代码更快?”这个问题的答案当然取决于您选择哪两个编译器。
人们可能会问的另一个问题是“考虑到在他们的编译器中优化投入了相同的精力,哪个编译器会生成更快的代码?” 这个问题的答案实际上是Fortran。Fortran编译器有一些优势:
Fortran had to compete with Assembly back in the day when some vowed never to use compilers, so it was designed for speed. C was designed to be flexible. Fortran's niche has been number crunching. In this domain code is never fast enough. So there's always been a lot of pressure to keep the language efficient. Most of the research in compiler optimizations is done by people interested in speeding up Fortran number crunching code, so optimizing Fortran code is a much better known problem than optimizing any other compiled language, and new innovations show up in Fortran compilers first. Biggie: C encourages much more pointer use than Fortran. This drasticly increases the potential scope of any data item in a C program, which makes them far harder to optimize. Note that Ada is also way better than C in this realm, and is a much more modern OO Language than the commonly found Fortran77. If you want an OO langauge that can generate faster code than C, this is an option for you. Due again to its number-crunching niche, the customers of Fortran compilers tend to care more about optimization than the customers of C compilers.
然而,没有什么能阻止人们在C编译器的优化上投入大量精力,并使其生成比他们平台的Fortran编译器更好的代码。事实上,C编译器产生的较大销售额使得这种情况非常可行
我还没有听说过Fortan比C快得多,但是可以想象在某些情况下它会更快。关键不在于语言特征的存在,而在于那些(通常)不存在的特征。
一个例子是C指针。C指针几乎到处都在使用,但指针的问题是编译器通常无法判断它们是否指向同一个数组的不同部分。
例如,如果你写了一个strcpy例程,看起来像这样:
strcpy(char *d, const char* s)
{
while(*d++ = *s++);
}
编译器必须在d和s可能是重叠数组的假设下工作。所以当数组重叠时,它不能执行会产生不同结果的优化。正如您所期望的,这在很大程度上限制了可以执行的优化类型。
[我应该注意到,C99有一个“restrict”关键字,显式地告诉编译器指针不重叠。还要注意,Fortran也有指针,语义不同于C语言,但指针不像C语言那样无处不在。
但是回到C与Fortran的问题上,可以想象,Fortran编译器能够执行一些对于(直接编写的)C程序可能无法实现的优化。所以我不会对这种说法感到太惊讶。不过,我确实希望性能差异不会太大。(~ 5 - 10%)
Fortran速度更快有几个原因。然而,它们的重要性是如此无关紧要,或者可以通过任何方式解决,所以它不应该是重要的。现在使用Fortran的主要原因是维护或扩展遗留应用程序。
PURE and ELEMENTAL keywords on functions. These are functions that have no side effects. This allows optimizations in certain cases where the compiler knows the same function will be called with the same values. Note: GCC implements "pure" as an extension to the language. Other compilers may as well. Inter-module analysis can also perform this optimization but it is difficult. standard set of functions that deal with arrays, not individual elements. Stuff like sin(), log(), sqrt() take arrays instead of scalars. This makes it easier to optimize the routine. Auto-vectorization gives the same benefits in most cases if these functions are inline or builtins Builtin complex type. In theory this could allow the compiler to reorder or eliminate certain instructions in certain cases, but likely you'd see the same benefit with the struct { double re; double im; }; idiom used in C. It makes for faster development though as operators work on complex types in Fortran.
一般来说,FORTRAN比C慢。C可以使用硬件级指针,允许程序员手动优化。FORTRAN(在大多数情况下)不能访问硬件内存寻址黑客。(VAX FORTRAN是另一回事。)我从70年代开始断断续续地使用FORTRAN。(真的)。
然而,从90年代开始,FORTRAN已经发展到包括特定的语言结构,可以优化成内在的并行算法,真正可以在多核处理器上运行。例如,自动矢量化允许多个处理器同时处理数据向量中的每个元素。16个处理器——16个元素向量——处理需要1/16的时间。
在C语言中,您必须管理自己的线程并为多处理仔细设计算法,然后使用一堆API调用来确保并行性正确发生。
在FORTRAN中,您只需要为多处理仔细设计算法。编译器和运行时可以为您处理其余的工作。
您可以阅读一些关于高性能Fortran的内容,但是您会发现许多死链接。你最好阅读并行编程(比如OpenMP.org)以及FORTRAN如何支持并行编程。