为什么将fortran用于科学计算？ [关闭]答案

【问题标题】：Why is fortran used for scientific computing? [closed]为什么将fortran用于科学计算？ [关闭]
【发布时间】：2012-02-18 07:15:07
【问题描述】：

我听说 Fortran 仍然大量用于科学计算。对于已经大量投资于 Fortran 的代码，这对我来说很有意义。

但是，是否有理由在新项目中使用 Fortran 而不是其他现代语言？与更流行的语言（C++、Java、Python、Ruby 等）相比，Fortran 中是否存在使其更适合科学计算的语言设计决策？例如，与我提到的其他语言相比，Fortran 是否有特定的语言特性可以在编译器中实现更高程度的数值优化？

【问题讨论】：

只是一个快速的民意调查：这里有人实际上在野外（而不是在学校）使用 Fortran 吗？这里有没有人认识使用它的人（第一手，不是你去年在酒吧遇到的一个家伙的朋友）？
@pawdiablo ：我写过，我写过，我会写 Fortran 代码！因此，您不能再说您不认识任何使用 Fortran 的人 ;-)
@pawdiablo 是的。我是由几十名每天都使用 Fortran 的科学家组成的研究小组（一所大学的众多小组之一）的一员。
我认为“在野外”意味着在吃奇多和减肥博士的同时穿着内衣编码。胡椒。
@paxdiablo - 是的，“在野外”使用它（在与学校或学术界没有关系的公司中）。

标签： fortran

【解决方案1】：

据我了解，有一些库是其算法可用的一些最有效的实现，这使得 Fortran 很受欢迎，尽管有语言的限制。

【讨论】：

请问 Fortran 有哪些限制？我非常了解几种编程语言，例如 C、Fortran、JAVA。当我需要用图形部分编写交互式代码时，我选择了 JAVA。但是当我想用数组操作编写科学代码时，我选择了 Fortran。当我想编写一些需要计算机科学技巧的东西时，C 通常是最好的选择。
Fortran 是 1960 年代基于过程的语言，几乎没有现代语言功能。可以说它是类固醇的基础版（是的，我知道它早于基础版），几乎没有范围概念、算法控制结构和基本的 I/O 模型。例如，据称缺少变量初始化检查是导致美国卫星丢失的原因（变量名称拼写错误）。
@nfc-uk 您是否将 FORTRAN 66 与源自 90 年代的语言进行比较，应该与 Fortran 95 及更高版本进行比较？ Fortran 编程是关于范围的，它有许多控制结构和 I/O，可与 C 相媲美，除了 C 之外还有自己的模式。
这些库可以用其他语言包装，就像在 Julia 或 SciPy 中所做的那样。
@Grayscale：这样的包装器添加了一层间接层（无论多么薄），如果原始性能是您的目标，那么您不希望这样做。

【解决方案2】：

一个原因是数组的构造方式。与大多数其他语言不同，它们是列专业的。这为他们的计算提供了更快的计算速度。

【讨论】：

切换索引的顺序不是比切换到其他语言更容易吗？
@jheld - 为什么你认为现在它是一种非常糟糕的语言？
我不明白为什么索引的顺序会影响性能...如果您选择正确的算法，当然可能取决于该顺序。
列专业与计算效率无关。
@IRO-bot：确切地说，物理内存无论如何都是线性的（一维），矩阵是逐列还是逐行存储都没有关系。然而，在循环中使用正确的、特定于语言的索引顺序很重要。否则代码会变得非常慢......

【解决方案3】：

无论好坏，Fortran 都是唯一专为科学数值计算而设计的主要语言。它的数组处理很好，在整个数组和切片上都有简洁的数组操作，可与 matlab 或 numpy 相媲美，但速度非常快。该语言经过精心设计，使意外编写慢代码变得非常困难——指针被限制在这样一种方式下，如果可能存在别名，作为标准示例，它会立即显而易见——因此优化器可以在你的代码。当前的版本有 coarray fortran 之类的东西，并且在语言中内置了并发和 forall，允许分布式内存和共享内存并行，以及矢量化。

Fortran 的缺点主要是上述优点之一的另一面； Fortran 历史悠久。好处：大量的优秀图书馆。缺点：成吨的历史包袱。

如果您必须进行大量数字运算，Fortran 仍然是首选之一，这就是为什么在世界各地的超级计算中心运行的许多最复杂的模拟代码都是用它编写的。但当然，用它来编写 Web 浏览器会是一种糟糕、糟糕的语言。每项任务都有它的工具。

【讨论】：

FORTRAN 传统上用于科学/工程数值计算，因为惯性和其他原因一样多，并且拥有许多专门的库。 FORTRAN 与 C 一样，是一个“超级汇编程序”，它可以让您接近金属，而无需添加大量绒毛以使编程更容易，或者保护您免受自己的伤害——为 Real Men(tm) 编程。它在编译器优化工作方面有着很长的历史，但没有理由其他语言不能使用这些优化中的大部分。它是在真正的语言/编译器科学出现之前设计的，并且显示了它的时代。
我在任何其他语言中都没有做过我在 Fortran 中所做的 3 年 (CFD)；此外，我不觉得任何“主要”语言（例如 Fortran/C/C++）的专家；但是，根据我对他们每个人的了解，我很难认为您提到的所有这些优势都很难获得，例如，通过一个编写良好的库在 C++ 中。总之，在我看来，科学数值计算社区大多卡在 Fortran 中，只是因为几乎没有完全愿意用更现代的语言重建这些功能。
随着Julia (也许还有其他语言）。如果一个正在寻找一种语言来进行科学数值计算的新程序员在 2020 年选择 Fortran 而不是 Julia 之类的东西，那我会感到困惑。也就是说，Julia 仍然使用use Fortran under the hood 来实现它的某些功能......现在:)

【解决方案4】：

很少有项目是全新的项目。我不确定它是否特定于科学计算，但至少在这个领域，您倾向于基于现有（科学）模型构建您的应用程序，这些模型可能由其他团体/人生产。无论您是否愿意，您总是需要处理一些遗留代码。

Fortran 是许多科学家学习的工具，也是他们需要的许多库的实现方法。其中许多人可能不是计算机科学家或 IT 人员，更多的是计算科学家.他们的主要目标很少是计算，这是他们的科学第一。虽然大量程序员一有机会（包括在业余时间）就会倾向于学习新的编程语言或框架，但大多数科学家会利用这段时间探索有关他们的科学的新想法。

受过 Fortran（或任何语言）培训并被处于类似情况的人所包围的领域专家将没有动力离开它。不仅仅是现在其他语言在性能方面可以与 Fortran 一样好，它们需要好多更好：需要有充分的理由放弃你所拥有和知道的。

在某种程度上，这也是一个“恶性”循环。我一直觉得比较 Java 和 Fortran 有点困难，因为许多 Java 科学应用程序不是以 Java 方式编程的。一些Java Grande 基准测试应用程序看起来很像 Fortran 程序变成了 C 程序，复制/粘贴/调整到 Java 程序中（在一种方法中，将数组的长度作为数组本身旁边的额外参数传递会提供线索，如果我没记错的话）。正因为如此，Java（例如）在科学界并没有很好的声誉，尽管its performance is getting better。其结果是，例如，HPC 专家和 Java 专家之间几乎没有重叠。即使是硬件供应商或库实现者，用户的需求很少导致提供的支持也很少，这反过来又会阻止可能有兴趣转向其他语言的用户。

请注意，这并不妨碍相同（或其他）科学家将其他语言用于其他目的（例如工作流管理、数据管理、使用 Matlab、Numpy 进行快速建模......）。

【讨论】：

+1 获取论文链接。这是 .NET 的类似比较：ilnumerics.net/blog/… 它与网格无关，但这里 .NET 在 kmean 算法中甚至优于 Fortran！
“HPC 的 Java 现状”论文的链接已失效...我认为这是同一篇论文：docs.huihoo.com/proactive/ProActiveJavaStatusforHPC.pdf。但是，它是从 2008 年开始的，我找不到任何更新的东西......警告购买者

【解决方案5】：

对我来说，主要原因是漂亮的数组表示法，以及许多其他使编写和调试科学代码更容易的设计决策。就相关任务（数组操作）的性能而言，它通常是最佳选择，这一事实也无妨:)

老实说，我不会认为大多数被引用为 Fortran 真正竞争对手的语言——Java 和 Ruby 在便利性和性能方面都远远落后，而 C++ 过于复杂和棘手，无法推荐给任何人过去几年，他的主要工作除了日常的 C++ 编程之外的工作。不过，带有 numpy 的 Python 可能是一种选择。我个人不是该语言的忠实拥护者，但我认识一些经常使用 numpy 并且似乎对此很满意的人。

我看到的真正竞争不是来自这些，而是来自 Matlab、R 和类似的语言，它们提供了类似的便利，并结合了许多标准库。幸运的是，通常可以在 R 或 Matlab 中启动项目，然后在 Fortran 中编写性能关键部分。

【讨论】：

你反对“竞争对手”，他们假设的速度很慢。这不是真的（不再）。此处的答案中给出了一些参考资料。由于计算机体系结构的演进，未来它甚至会变得不那么真实。或者你能想象，在 FORTRAN 中编写一个网格计算应用程序，在其节点上利用多核、SIMD 指令——甚至可能利用 GPU 能力......？当然，这是可能的，因此有些人会这样做。但他们这样做是在浪费时间。
嗯，我不太确定您在这里指的是什么可能更好的选择？我怀疑我们是否会看到 java 或 ruby 在 HPC 中越来越受欢迎——它们的目的完全不同。并且有很多网格应用程序是用 fortran 编写的（可能大约 50%，另一半是 C/C++）。你觉得什么更合适？PGI 加速器 fortran btw 在编程 GPU 方面出奇地好，我会在任何时候推荐它而不是 CUDA 以提高便携性。
竞争正在慢慢开始：julialang.org