MK
摩柯社区 - 一个极简的技术知识社区
AI 面试

Fortran编译器特性与使用指南

2021-11-213.3k 阅读

Fortran编译器概述

Fortran（Formula Translation）是世界上最早出现的高级编程语言之一，自 20 世纪 50 年代诞生以来，在科学计算、工程模拟等领域有着广泛的应用。Fortran 编译器是将 Fortran 源代码转换为可执行机器代码的工具，不同的 Fortran 编译器具有各自的特性和优势。

常见的 Fortran 编译器有 GNU Fortran（gfortran）、Intel Fortran Compiler（ifort）、Cray Fortran Compiler 等。GNU Fortran 是开源的编译器，广泛应用于各类 Unix - like 系统以及 Windows 系统（通过 MinGW 或 Cygwin 等工具）。它遵循 Fortran 标准，并不断更新以支持新的标准特性。Intel Fortran Compiler 则以其在英特尔架构上的高度优化而闻名，能充分发挥英特尔处理器的性能优势，常用于高性能计算场景。Cray Fortran Compiler 主要针对 Cray 超级计算机系统进行优化，为大规模并行计算提供良好支持。

Fortran编译器特性

标准支持

  1. Fortran 77 支持：许多 Fortran 编译器都全面支持 Fortran 77 标准，这是 Fortran 发展历程中的经典版本。Fortran 77 具有结构化编程的基本元素，如块结构、循环和条件语句等。例如，下面是一个简单的 Fortran 77 计算整数和的代码示例：
      PROGRAM SUM_NUMBERS
      INTEGER :: A, B, SUM
      A = 5
      B = 3
      SUM = A + B
      PRINT *, 'The sum of', A, 'and', B, 'is', SUM
      END PROGRAM SUM_NUMBERS

在这个示例中，使用了 Fortran 77 中基本的变量声明（INTEGER）、赋值语句以及输出语句（PRINT）。

  1. Fortran 90/95 支持：Fortran 90 和 Fortran 95 引入了许多重要的新特性，如模块（MODULE）、动态数组、递归过程等。现代的 Fortran 编译器对这些特性都有很好的支持。例如，下面是一个使用模块的示例：
MODULE MATHEMATICAL_FUNCTIONS
    IMPLICIT NONE
    CONTAINS
        FUNCTION SQUARE(X)
            REAL :: X
            REAL :: SQUARE
            SQUARE = X * X
        END FUNCTION SQUARE
END MODULE MATHEMATICAL_FUNCTIONS

PROGRAM USE_MODULE
    USE MATHEMATICAL_FUNCTIONS
    IMPLICIT NONE
    REAL :: VALUE, RESULT
    VALUE = 3.5
    RESULT = SQUARE(VALUE)
    PRINT *, 'The square of', VALUE, 'is', RESULT
END PROGRAM USE_MODULE

在这个代码中，定义了一个模块 MATHEMATICAL_FUNCTIONS，其中包含一个函数 SQUARE。在主程序 USE_MODULE 中，通过 USE 语句使用了这个模块，并调用了其中的函数。

  1. Fortran 2003/2008 支持：这两个标准进一步扩展了 Fortran 的功能，增加了面向对象编程的特性（如类、继承等）、对异构计算的支持（如 OpenMP 和 MPI 集成）以及更强大的数组操作。例如，下面是一个简单的 Fortran 2003 面向对象编程示例：
TYPE :: POINT
    REAL :: X, Y
END TYPE POINT

TYPE(POINT) :: P1, P2
P1%X = 1.0
P1%Y = 2.0
P2 = P1
PRINT *, 'P2 coordinates: ', P2%X, P2%Y

这里定义了一个 POINT 类型，类似于类的概念，并进行了对象的赋值和成员访问。

优化特性

  1. 代码优化级别：大多数 Fortran 编译器提供不同的优化级别，以平衡编译时间和生成代码的执行效率。例如，GNU Fortran 的优化选项 -O1、-O2、-O3。-O1 进行基本的优化，如删除无用代码和简单的循环优化；-O2 包含更多的优化，如循环展开、公共子表达式消除等；-O3 则进行更激进的优化，包括内联函数、高级循环变换等，但可能会增加编译时间和可执行文件的大小。
  2. 向量化优化：现代处理器支持向量指令集，如英特尔的 SSE、AVX 等。Fortran 编译器可以利用这些指令集对数组操作进行向量化优化，显著提高计算性能。例如，对于如下的数组相加代码：
REAL :: A(1000), B(1000), C(1000)
INTEGER :: I
DO I = 1, 1000
    C(I) = A(I) + B(I)
END DO

编译器在合适的优化级别下，会将这个循环转换为使用向量指令的形式，一次处理多个数组元素，而不是逐个处理。

  1. 并行优化：为了充分利用多核处理器的性能，Fortran 编译器支持并行化优化。例如，通过 OpenMP 指令，编译器可以将循环并行化。下面是一个简单的 OpenMP 并行化示例：
!$OMP PARALLEL DO
DO I = 1, 1000
    C(I) = A(I) + B(I)
END DO
!$OMP END PARALLEL DO

在这个示例中，!$OMP PARALLEL DO 指令告诉编译器将后面的循环并行执行，多个线程可以同时处理不同的数组元素，从而提高计算速度。

调试特性

  1. 调试信息生成：编译器可以生成调试信息，帮助开发者定位代码中的错误。例如，GNU Fortran 使用 -g 选项生成调试信息。这些调试信息包含了源代码与目标代码的映射关系、变量的类型和位置等信息，便于调试器（如 GDB）使用。
  2. 边界检查：一些 Fortran 编译器支持数组边界检查，帮助发现数组越界错误。例如，Intel Fortran Compiler 可以通过特定的编译选项开启数组边界检查。在运行时，如果程序试图访问数组之外的元素，编译器会抛出错误信息，提示数组越界的位置，有助于快速定位问题。
  3. 内存检查：部分编译器还提供内存检查功能，检测内存泄漏、未初始化变量等问题。例如，Valgrind 工具可以与 Fortran 编译器配合使用，对 Fortran 程序进行内存检查。它能够详细报告内存使用方面的错误，如使用未初始化的内存、释放已释放的内存等。

Fortran编译器使用指南

安装 Fortran 编译器

  1. GNU Fortran 安装：在 Linux 系统中，大多数发行版可以通过包管理器安装 GNU Fortran。例如，在 Ubuntu 系统中，可以使用以下命令安装：
sudo apt-get install gfortran

在 Windows 系统中，可以通过 MinGW 或 Cygwin 安装。以 MinGW 为例，下载 MinGW 安装程序，在安装过程中选择 Fortran 编译器组件进行安装。

  1. Intel Fortran Compiler 安装：Intel Fortran Compiler 通常包含在 Intel Parallel Studio 中。在官网下载对应的安装包，安装过程中按照提示进行操作。需要注意的是，Intel Fortran Compiler 是商业软件，部分功能可能需要购买许可证才能使用。

  2. Cray Fortran Compiler 安装：Cray Fortran Compiler 主要安装在 Cray 超级计算机系统上，其安装和配置由系统管理员负责，一般用户无需直接进行安装操作。

编译 Fortran 程序

  1. 基本编译命令：以 GNU Fortran 为例，假设我们有一个名为 hello.f90 的 Fortran 90 源文件，使用以下命令进行编译：
gfortran -o hello hello.f90

这里 -o 选项指定生成的可执行文件名为 hello，后面跟着源文件名 hello.f90。编译成功后，会生成一个名为 hello 的可执行文件，在命令行中输入 ./hello 即可运行程序。

  1. 多文件编译：当程序由多个源文件组成时，例如有 main.f90、module1.f90 和 module2.f90，可以使用以下命令编译：
gfortran -o my_program main.f90 module1.f90 module2.f90

编译器会将这些文件一起编译并链接生成可执行文件 my_program。

  1. 使用库文件：如果程序使用了外部库，如数学库，需要在编译时链接这些库。例如，使用 GNU Fortran 链接数学库 libm：
gfortran -o my_program main.f90 -lm

这里 -lm 表示链接数学库 libm。不同的库有不同的链接方式，具体需要参考库的文档。

优化编译

  1. 选择优化级别：如前文所述，GNU Fortran 可以通过 -O 选项选择优化级别。例如，使用 -O2 优化级别编译：
gfortran -O2 -o optimized_program main.f90

这样生成的可执行文件 optimized_program 会经过 -O2 级别的优化，通常执行效率会比未优化的版本有显著提升。

  1. 向量化优化：为了充分利用向量化优化，代码中的数组操作应尽量简单明了，避免复杂的条件判断和函数调用。例如，将循环中的数组操作简化为基本的算术运算，编译器更容易进行向量化。同时，通过编译选项可以进一步控制向量化行为。例如，GNU Fortran 可以使用 -ftree - vectorize 选项强制进行向量化（即使代码不完全符合最佳向量化条件）。

  2. 并行优化：对于 OpenMP 并行化，除了在代码中添加 OpenMP 指令外，编译时需要指定相应的编译选项。例如，在 GNU Fortran 中，使用 -fopenmp 选项：

gfortran -fopenmp -o parallel_program main.f90

这样编译器会识别并处理 OpenMP 指令，生成支持并行执行的可执行文件。

调试 Fortran 程序

  1. 使用调试器：以 GDB 为例，首先使用 -g 选项编译生成包含调试信息的可执行文件：
gfortran -g -o debug_program main.f90

然后启动 GDB 调试器：

gdb debug_program

在 GDB 中，可以使用 break 命令设置断点，run 命令运行程序，print 命令查看变量值等。例如，设置断点在第 10 行：

(gdb) break 10

运行程序：

(gdb) run

查看变量 X 的值：

(gdb) print X
  1. 数组边界检查：如使用 Intel Fortran Compiler，可以通过 -check bounds 选项开启数组边界检查。编译命令如下：
ifort -check bounds -o checked_program main.f90

运行 checked_program 时，如果发生数组越界，程序会终止并输出详细的错误信息，指出越界的数组和访问位置。

  1. 内存检查：使用 Valgrind 进行内存检查时，首先确保 Valgrind 已安装。假设可执行文件为 my_program，使用以下命令进行内存检查：
valgrind --leak - check = yes./my_program

Valgrind 会运行程序，并详细报告内存泄漏、未初始化内存使用等问题。

特定编译器特性与应用场景

GNU Fortran 的特性与场景

  1. 开源与跨平台：GNU Fortran 的开源特性使得它成为学术研究和小型项目的首选。由于其跨平台性，无论是在 Linux、Windows 还是 macOS 系统上，都能方便地使用。例如，在科研项目中，研究人员可能需要在不同操作系统的机器上进行代码开发和测试，GNU Fortran 可以满足这一需求。
  2. 丰富的社区支持：GNU Fortran 拥有庞大的社区，开发者可以在社区论坛、邮件列表等地方获取帮助和交流经验。对于初学者来说，社区提供的大量教程、示例代码以及问题解答，有助于快速上手 Fortran 编程。

Intel Fortran Compiler 的特性与场景

  1. 英特尔架构优化：Intel Fortran Compiler 在英特尔架构的处理器上能发挥出极高的性能。在高性能计算领域，尤其是使用英特尔处理器的集群和超级计算机上，Intel Fortran Compiler 被广泛应用。例如，在气象模拟、石油勘探等对计算性能要求极高的领域，利用 Intel Fortran Compiler 的优化特性可以显著缩短计算时间。
  2. 商业支持：作为商业软件，Intel 提供专业的技术支持。对于企业用户和对软件稳定性、技术支持有较高要求的项目，这是一个重要的优势。例如，在大型工程项目中，遇到编译器相关问题时，可以及时获得英特尔专业团队的帮助。

Cray Fortran Compiler 的特性与场景

  1. 超级计算机优化：Cray Fortran Compiler 专为 Cray 超级计算机设计，针对大规模并行计算进行了深度优化。在需要处理海量数据和大规模并行任务的场景，如天体物理模拟、基因测序数据分析等，Cray Fortran Compiler 能够充分利用超级计算机的硬件资源，提供高效的计算能力。
  2. 与 Cray 系统集成：它与 Cray 超级计算机系统紧密集成，能够更好地利用系统的特殊硬件和软件特性。例如，与 Cray 的并行文件系统、作业调度系统等无缝配合，为用户提供统一、高效的编程环境。

Fortran编译器的未来发展

  1. 持续标准支持：随着 Fortran 标准的不断发展，编译器也将持续跟进，提供对新特性的支持。例如，未来可能会出现更多针对新兴硬件架构（如量子计算、人工智能加速芯片等）的 Fortran 扩展，编译器需要及时适配这些新需求。
  2. 性能优化提升：随着硬件技术的不断进步，如处理器核心数量的增加、新的指令集的出现等，Fortran 编译器将进一步提升优化能力。例如，未来可能会出现更智能的自动并行化和向量化技术，使开发者无需手动编写复杂的并行代码就能充分利用硬件性能。
  3. 工具链整合：为了提高开发效率，Fortran 编译器可能会与其他开发工具进行更紧密的整合。例如，与现代的集成开发环境（IDE）更好地集成，提供更便捷的代码编辑、调试、性能分析等功能。同时，也可能会与版本控制系统、持续集成/持续交付（CI/CD）工具等整合，形成完整的开发流程。