使用可分配数组的性能损失

Question

我有一个 Fortran90 程序 (Packmol)，在此之前，它是通过静态内存分配实现的。

我更改了代码以使用动态分配，这样所有数组都在开始时分配。在某些示例中，我的性能损失为 400%。

然后，我验证了即使数组的大小与我使用静态分配时的大小相同，问题仍然存在。也就是说，如果我将分配从 double precision :: x(1000) 类似于 double precision, allocatable :: x(:) allocate(x(1000)) 这足以导致性能损失。当然，当所有需要动态分配的数组都这样做时，大约是 30。

有没有办法以更有效的方式分配数组以减少性能损失？还是有人有不同的建议？

非常感谢。

编辑：不知何故，问题解决了。动态版本现在只比预期的静态版本慢一点。我真的不知道是什么导致了之前的大幅放缓。

Answer 1

造成这种性能损失的原因有很多：

1) 静态数组总是在 BSS 上分配（请参阅Where are static variables stored (in C/C++)?），而“已分配”数组可以在堆或堆栈上分配。堆栈上的分配比堆上快得多。一个好的编译器可以生成尽可能多地在堆栈上分配的代码。

2) 您可能在循环中有分配/解除分配语句。每次内存分配都需要一些时间。一个好的编译器可以避免在每次分配时物理分配一些内存，而是重新使用已释放的空间。

3) 编译器在编译时就知道静态数组的维度，所以它会做一些额外的优化。

4) 如果您有多维数组，则无法在编译时计算元素的地址。例如A(5,6,7)的地址是5 + 6*n1 + 7*n1*n2，其中n1和n2是A的维度：A(n1,n2,n3)。对于静态数组，编译器可以优化这部分。此外，如果维度 n1,n2,... 是 2 的幂，编译器不会进行整数乘法运算，而是生成速度快 3 倍的位移。

数字 3) 是最有可能的。您可以为在编译时知道合理上限的数组保留一些静态数组，这些数组相对较小（大致

根据经验，只能静态分配小数组：大多数 1D 数组、一些小的 2D 数组和微小的 3D 数组。将所有其余部分转换为动态分配，因为它们可能无法放入堆栈。

如果你有一些频繁的分配/取消分配，因为你在循环中调用了一个子例程，例如：

 do i=1,10000000
    call work(a,b)
 end do

 subroutine work(a,b)
  ...
  allocate (c)
  ...
  deallocate (c)
 end

如果c 始终具有相同的维度，您可以将其作为子例程的参数，或者作为在调用 work 之前仅分配一个的全局变量：

 use module_where_c_is_defined

 allocate (c)
 do i=1,10000000
    call work(a,b)
 end do
 deallocate(c)

 subroutine work(a,b)
  use module_where_c_is_defined
  if (.not.allocated(c)) then
    stop 'c is not allocated'
  endif
  ...
 end