C2115 Praktický úvod do superpočítání -1-
C2115
Praktický úvod do
superpočítání
Petr Kulhánek, Tomáš Bouchal
kulhanek@chemi.muni.cz
Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta,
Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno
VI. lekce
C2115 Praktický úvod do superpočítání -2-
Obsah
 Úvod
historie jazyka Fortran, Hello world!, překladače, překládáme, volby překladače
 Syntaxe
program, rozdíly oproti F77, proměnné, řídící struktury, I/O, pole, funkce, procedury
 Cvičení
jednoduché programy, výpočet určitého integrálu
 Literatura
C2115 Praktický úvod do superpočítání -3-
Úvod
C2115 Praktický úvod do superpočítání -4-
Historie
Fortran (zkratka slov FORmula a TRANslator) je v informatice imperativní
programovací jazyk, který v 50. letech 20. století navrhla firma IBM pro vědecké
výpočty a numerické aplikace.
Zdroj: wikipedia
Verze jazyka:
Fortran 77
Fortran 90
Fortran 95
Fortran 2003
Fortran 2008
V tomto jazyce nebo pro tento jazyk je napsána celá řada knihoven. Kompilátory
jsou schopny vytvářet velmi optimalizovaný kód.
Standardní matematické knihovny: BLAS, LAPACK a další na http://www.netlib.org
C2115 Praktický úvod do superpočítání -5-
Historie
jeden zdrojový řádek
Zdroj: wikipedia
C2115 Praktický úvod do superpočítání -6Hello
world!
program Hello
write(*,*) 'Hello world!'
end program
hello.f90
Kompilace:
$ gfortran hello.f90 -o hello
Spuštění:
$ ./hello
Kompilace do assembleru:
$ gfortran hello.f90 -S
hello.s
C2115 Praktický úvod do superpočítání -7Cvičení
1
1. Vytvořte soubor hello.f90. Zkompilujte jej překladačem gfortran. Ověřte funkci
vytvořeného programu.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -8-
Překladače
GNU GCC
Překladač: gfortran
Typ licence: GNU GPL (volně dostupný)
URL: http://gcc.gnu.org/wiki/GFortran
Intel® Composer XE
Překladač: ifort
Typ licence: a) komerční (dostupný v MetaCentru, meta moduly: intelcdk)
b) zdarma k osobnímu použití proti registraci (linux)
URL: http://software.intel.com/en-us/articles/intel-composer-xe/
The Portland Group
Překladač: pgf90, pgf77
Typ licence: komerční (dostupný v MetaCentru, meta moduly: pgicdk)
URL: http://www.pgroup.com/
C2115 Praktický úvod do superpočítání -9Překládáme
…
zdrojový kód
preprocesor
překladač
asembler
překladač
asembleru
objekt
zdrojový kód
preprocesor
překladač
asembler
překladač
asembleru
objekt
zdrojový kód
asembler
překladač
asembleru
objekt
knihovna
knihovna
spustitelný
program
preprocesor
překladač
linker
Přípona:
.f90
.s
.o
Přípona: .so, .a
C2115 Praktický úvod do superpočítání -10Užitečné
volby překladače
Volby překladače:
-o název výsledného programu
-c přeloží zdrojový kód do objektového kódu
-S přeloží zdrojový kód do asembleru
-Ox úroveň optimalizace výsledného programu,
kde x=0 (žádná), 1, 2, 3 (nejvyšší)
-g vloží dodatečné informace a kód pro ladění běhu programu
(zpomaluje běh programu)
-lname připojení (linkování) knihovny name k výslednému programu
-Lcesta cesta ke knihovnám, které nejsou ve standardních cestách
Volby překladače (ifort):
-trace all kontroluje meze polí, použití neinicializovaných proměnných, atd.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -11Programy
napsané ve Fortranu
Gaussian
http://www.gaussian.com/
Komerční program určený pro kvantově chemické výpočty.
AMBER
http://www.ambermd.org/
Akademický software určený k molekulárním simulacím za použití
molekulové mechaniky a hybridních QM/MM metod. Ve Fortranu jsou
napsány programy sander a pmemd.
CPMD
http://www.cpmd.org/
Akademický software určený pro molekulární simulace za použití metod
funkcionálu hustoty.
Další software: Turbomole, DALTON, CP2K, ABINIT a další …
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_quantum_chemistry_and_solid_state_physics_software
C2115 Praktický úvod do superpočítání -12-
Syntaxe
C2115 Praktický úvod do superpočítání -13F77
dialekt
• fixní formát
• sloupec 1, pokud začíná písmenem C jedná se o komentář
• sloupec 1-6 je vyhražen pro návěští (pro I/O formáty, cykly)
• sloupec 6, pokud obsahuje znak * jedná se o pokračování předchozího řádku
• sloupec 7-72 obsahuje řádek programu
12345678901234567890123456789001234567891234567890123456789012345678900123456789
C toto je komentar
implict none
real f
integer a, b
C ---------------------------
C secti cisla a a b
a = a + b
C dlouhy radek
f = a*10.0 + 11.2*b
*+ (a+b)**2
100 format(I10)
write(*,100) a
C2115 Praktický úvod do superpočítání -14Zdrojové
soubory
• Fortran 90 a výše používá volnou syntaxi (příkazy již není nutné zarovnávat do
sloupců jako tomu bylo u Fortran 77).
• Povolené zakončení názvů zdrojových souborů: .fpp, .f90, .f95, .f03, .f08
• Fortran není case-sensitive (tj. nerozlišuje se velikost písma)
• K odsazovaní není vhodné používat tabulátor.
• Komentáře mohou začínat kdekoliv, k uvození komentáře se používá vykřičník !.
• Maximální délka řádku je omezena (typicky 132 znaků). Pro zápis delších výrazů
se používá znak ampersand &.
implicit none
real :: f
integer :: A, B
! ---------------------------
! secti cislo A a B
A = A + B
f = A*10.0 + 11.2*B &
+ (A+B)**2 ! dlouhy radek
C2115 Praktický úvod do superpočítání -15-
Preprocesor
• Zdrojový soubor může obsahovat direktivy CPP preprocesoru (používaného
jazyky C a C++)
#include <soubor>
#include "soubor"
#ifdef
#ifundef
#if
#else
#endif
#define
a další ...
• Zpracování souboru preprocesorem lze vynutit volbou kompilátoru, popř.
změnou zakončení souboru na: .fpp, .FPP, F90, .F95, .F03, .F08
http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gfortran/Preprocessing-Options.html
C2115 Praktický úvod do superpočítání -16Sekce
Program
program Hello
! definice promennych
! vlastni program
write(*,*) 'Hello world!'
! Konec programu
end program
směr vykonávání programu
Program může být předčasně ukončen příkazem stop.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -17-
Proměnné
implicit none
logical :: f
integer :: a, g
real :: c, d
double precision :: e
character(len=30) :: s
vypne automatickou deklaraci
proměnných
reálné číslo v jednoduché přesnosti
reálné číslo v dvojnásobné přesnosti
řetězec (text)
Alternativní zápisy:
real(4) :: c, d
real(8) :: e
maximální délka řetězce ve znacích
Proměnné definujeme na
začátku programu, funkce
nebo procedury.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -18-
Proměnné
implicit none
logical :: f
!-------------------------
f = .TRUE.
write(*,*) f
f = .FALSE.
write(*,*) f
implicit none
real :: a,b
!-------------------------
a = 1.0
b = 2.0
b = a + b
write(*,*) a, b
implicit none
character(len=30) :: s
!-------------------------
s = 'pokusny text'
write(*,*) trim(f)
funkce trim ořízne řetězec zprava (odstraní prázdné znaky)
Proměnné vždy inicializujeme
(tj. přiřadíme jim výchozí hodnotu).
C2115 Praktický úvod do superpočítání -19-
Proměnné
implicit none
real :: a = 1.0
real :: b
!-------------------------
b = 2.0
b = a + b
write(*,*) a, b
NIKDY neinicializujeme
proměnnou během její deklarace.
real,save :: a = 1.0
povolená konstrukce, která se překládá jako
obdoba klíčového slova "static" z jazyka C a C++
C2115 Praktický úvod do superpočítání -20Matematické
operace
Operátory:
+ sčítaní
- odčítání
* násobení
/ dělení
** umocnění
real :: a, b, c
!-------------------------
a = 1.0
b = 2.0
c = 4.0
b = a + b
b = a * b / c
c = a ** 2 + b ** 2
Bez přímé podpory:
MOD(n,m) modulo (n % m z jazyka C)
C2115 Praktický úvod do superpočítání -21Cykly
I
do promenna = pocatecní_hodnota, koncova_hodnota [, krok]
prikaz1
prikaz2
...
end do
integer :: i
!-------------------------
do i = 1, 10
write(*,*) i
end do
Proměnná může být pouze celé číslo (integer).
integer :: i
!-------------------------
do i = 1, 10, 2
write(*,*) i
end do
Vypíše čísla: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 Vypíše čísla: 1, 3, 5, 7, 9
Běh cyklů může být řízen příkazy cycle (obdoba continue z jazyka C) a exit (obdoba break).
C2115 Praktický úvod do superpočítání -22-
Podmínky
if ( logicky_vyraz ) then
prikaz1
...
else
prikaz2
...
end if
Logické operátory:
.and. logické ano
.or. logické nebo
.not. negace
Porovnávací operátory (čísla):
.eq. rovná se
.ne. nerovná se
.lt. menší než
.le. menší než nebo rovno
.gt. větší než
.ge. vetší než nebo rovno
Porovnávací operátory (logical):
.eqv. ekvivalence
.neqv. neekvivalence
integer :: i = 7
!-------------------------
if( i .gt. 5 ) then
write(*,*) 'i je vetsi nez 5'
end if
.false.
.true.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -23Cykly
II
do while ( logicky_vyraz )
prikaz1
prikaz2
...
end do
double precision :: a
!-------------------------
a = 0.0
do while ( a .le. 5 )
write(*,*) a
a = a + 0.1
end do
Vypíše čísla od 0 do 5 s krokem 0.1
Běh cyklů může být řízen příkazy cycle (obdoba continue z jazyka C) a exit (obdoba break).
cyklus probíhá dokud
logicky_vyraz vraci .true.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -24Funkce
a procedury
program Hello
! definice promennych
…
! vlastni program
! volani funkce nebo procedury
…
! konec programu
…
contains
! definice funkci nebo procedur
end program
Funkce je část programu, kterou je možné opakovaně volat z různých míst kódu.
Procedura je podobná funkci, ale na rozdíl od funkce nevrací hodnotu. Vhodným
použitím funkcí a procedur se zvyšuje čitelnost programu a snižuje se duplicitní
kód.
Funkce a procedury lze volat jak z
vlastního programu, tak i samotných
funkcí a procedur.
Argumenty funkcí a procedur se
předávají odkazem.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -25Definice
funkce
function moje_funkce(a,b,c) result(x)
implicit none
double precision :: a, b, c ! argumenty (parametry) funkce
double precision :: x ! vysledek funkce
!----------------------
integer :: j ! lokalni promenna
!-----------------------------------------------------------
! vlastni telo funkce
x = a + b + c
end function moje_funkce
double precision function moje_funkce(a,b,c)
…
moje_funkce = a + b + c
end function moje_funkce
Alternativní zápis:
C2115 Praktický úvod do superpočítání -26Definice
procedury
subroutine moje_procedura(a,b,c)
implicit none
double precision :: a, b, c ! argumenty (parametry) procedury
!----------------------
integer :: j ! lokalni promenna
!-----------------------------------------------------------
! vlastni telo procedury
a = a + b + c
end subroutine moje_procedura
Přístupové vlastnosti argumentů funkcí a procedur lze měnit pomocí klíčového slova
intent. Defaultní přístupovou vlastností je intent(inout).
double precision, intent(in) :: a ! argument lze pouze cist
double precision, intent(out) :: b ! do argumentu lze pouze zapisovat
double precision, intent(inout) :: c ! s argumentem lze pracovat libovolne
C2115 Praktický úvod do superpočítání -27Volání
funkcí a procedur
Volání funkcí:
Volání procedur:
double precision :: a
double precision :: d
!-----------------------------
a = 5.0
d = moje_funkce_2(a)
write(*,*) d
double precision :: a
double precision :: d
!-----------------------------
a = 5.0
d = 2.0
call moje_procedura_3(a,d)
double precision :: a
double precision :: d
!-----------------------------
a = 5.0
moje_funkce_2(a)
Výsledek funkce se musí použít.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -28Předávání
argumentů odkazem
double precision :: a
double precision :: d
!-----------------------------
a = 5.0
d = 2.0
write(*,*) d
call moje_procedura_3(a,d)
write(*,*) d
2
subroutine moje_procedura_3(a,b)
implicit none
double precision :: a, b ! argumenty (parametry)
!-----------------------------------------------------------
! vlastni telo procedury
b = a + b
end subroutine moje_procedura_3
?
C2115 Praktický úvod do superpočítání -29Předávání
argumentů odkazem
double precision :: a
double precision :: d
!-----------------------------
a = 5.0
d = 2.0
write(*,*) d
call moje_procedura_3(a,d)
write(*,*) d
2
7
subroutine moje_procedura_3(a,b)
implicit none
double precision :: a, b ! argumenty (parametry)
!-----------------------------------------------------------
! vlastni telo procedury
b = a + b
end subroutine moje_procedura_3
V jazyce C by byla
hodnota rovna 2.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -30Některé
standardní funkce a procedury
Matematické funkce:
sin(x)
cos(x)
sqrt(x) druhá odmocnina
exp(x)
log(x) přirozený logaritmus
log10(x) dekadický logaritmus
Náhodné čísla:
call random_seed() inicializuje generátor náhodných čísel
call random_number(number) nastaví proměnou number na
náhodné číslo v intervalu <0.0;1.0)
Měření času:
call cpu_time(time) nastaví hodnotu proměnné time na čas běhu
programu v sekundách (s mikrosekundovým
rozlišením)
C2115 Praktický úvod do superpočítání -31-
Pole
Staticky definovaná pole:
double precision :: a(10)
double precision :: d(14,13)
Jednorozměrné pole o velikosti 10 prvků.
Dvourozměrné pole o velikosti 14x13 prvků.
(14 řádků a 13 sloupců)
Dynamicky deklarovaná pole:
double precision,allocatable :: a(:)
double precision ,allocatable :: d(:,:)
! -------------------------------------------------------
! alokace pameti pro pole
allocate(a(10000), d(200,300))
! pouziti pole
! uvolneni pameti
deallocate(a,d)
Jednorozměrné poleDvourozměrné
pole.
Rozměry polí mohou být
definovány i pomocí
celočíselných proměnných.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -32Práce
s polem
double precision :: a(10)
double precision :: d(14,13)
integer :: i
!-------------------------------------
a(:) = 0.0 ! lze zapsat i jako a = 0.0
do i=1, 10
write(*,*) i, '- ty prvek pole je', a(i)
end do
a = d(:,1) ! zapiše první sloupec z
! matice d do vectoru a
a(5) = 2.3456
d(1,5) = 1.23
write(*,*) d(1,5)
Prvky pole se
indexují od
jedné.*
* rozsahy indexů pro jednotlivé
rozměry lze však měnit
Velikost pole lze zjistit funkci size.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -33Pole
– paměťový model
Fortran C/C++
a(i,j) A[i][j]
Prvky jsou za sebou ve sloupcích
(column based).
Prvky jsou za sebou v řádcích
(row based).
uspořádání prvků matice v paměti Pokud voláme funkce z knihoven BLAS či
LAPACK nutno počítat s rozdílným
indexováním vícerozměrných polí.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -34Pole
– paměťový model
Fortran C/C++
double precision :: d(10,10)
double precision :: sum
integer :: i,j
!-------------------------------------
sum = 0.0d0
do i=1, 10
do j=1,10
sum = sum + d(j,i)
end do
end do
double* d[];
double sum;
//-------------------------------------
sum = 0.0;
for(int i=0; i < 10; i++){
for(int j=0; j < 10; j++){
sum += d[i][j];
}
}
index se mění nejrychleji pro řádky index se mění nejrychleji pro sloupce
Poznámka: uvedené uspořádání nemá vliv na funkci, ale na rychlost vykonávání
C2115 Praktický úvod do superpočítání -35I/O
operace
Zápis dat:
write(*,*) a, b, c
kam, * - standardní výstup
jak, * - standardní formátování
co se má zapsat,
seznam proměnných, textových řetězců
Čtení dat:
read(*,*) a, b, c
odkud, * - standardní vstup
jak, * - standardní formátování
co se má načíst,
seznam proměnných
Soubory se otevírají příkazem open. Zavírají příkazem close.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -36I/O
operace - formátování
Formátovaný výstup:
write(*,10) a, b, c
10 format('Hodnota a=',F10.6,' hodnota b=',F10.6, ' hodnota c=',F10.6)
• formát může být uveden před i za příkazem write či read
• formátovací typy:
• F – reálné číslo ve fixním formátu
• E – reálné číslo ve vědeckém formátu
• I – celé číslo
• A - řetězec
Zápis dat bez vypsaní znaku konce řádku:
write(*,10,ADVANCE='NO') a, b, c
musí být uveden formát
C2115 Praktický úvod do superpočítání -37Další
vlastnosti jazyka
1. podpora pointerů
2. struktury
3. objektově orientované programování
C2115 Praktický úvod do superpočítání -38Domácí
úkol
Nepovinné.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -39Cvičení
2
1. Napište program, který vypočte určitý integrál uvedený níže. K integraci použijte
obdélníkovou metodu.
2. Čemu se integrál rovná? Zjištění zdůvodněte.
dx
x
I
 

1
0
2
1
4
C2115 Praktický úvod do superpočítání -40-
Literatura
 http://www.root.cz/serialy/fortran-pro-vsechny/
 http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gfortran/
 Dokumentace ke kompilátoru ifort
 Clerman, N. S. Modern Fortran: style and usage; Cambridge
University Press: New York, 2012.