Fortran实现并行计算

by Z.H. Fu https://fuzihaofzh.github.io/blog/

Fortran是人类最古老的的一门高级语言，而它的优点就在于能进行大规模的科学计算。Fortran对许多基础的数学计算都有非常多大的加速（比如对一个数组通式求正弦），因而很多科学计算程序都是用Fortran实现。而并行计算无疑能在此基础之上给Fortran一个更大的提速。本文主要讲解如何使用Fortran实现并行计算。

编译器的选择

一般来说，Fortran的编译器都是选择Intel的 Visual Fortran和VS结合实现（如果是用的Intel的CPU的话，这个加速相当完美，这是其他编译器无法超越的）。然而，由于我是要拿他来和Python做混编，Intel的编译器老是有问题。无奈之下，采用GNU的GFortran编译器。

IDE配置

目前GFortran最流行的编译器是Code::Blocks（这不是以前搞竞赛的时候用的么。。）点开设置-编译器如下图：

设置编译器为GNU Fortran Compiler
在Compiler Flags下面勾选上 Enable the openMP extension[-fopenmp]
在Linker settings里面添加链接库 C:\MinGW32-xy\bin\libgomp-1.dll（根据自己minGW安装位置而定）
在Other linker options选项中添加 -lgomp -lpthread两项
到此编译器的环境就配置完成了

程序编写

openMP通过注释的方式在fortran语句中实现并行。在!$OMP PARALLEL和!$OMP END PARALLEL之间的语句表示这里面是并行的程序块，而!$OMP DO和!$OMP END DO块表示这是一个do循环，而且这个循环需要用并行方式处理。除此之外还有其他若干种并行方式，需要的时候很容易在网上找到。
下面我们来编写一个例子：

fortran

! A fortran95 program for G95
! By Z.H. Fu
program main
    implicit none
    call mainFunction(15)
end

subroutine mainFunction(cir)
implicit none
    integer cir
    integer i,j,s,dosum(0:cir-1)
    do i=0,cir-1
        dosum(i) = 0
    end do
    !$OMP PARALLEL
	!$OMP DO
    do i = 0,cir-1
        call indo()
        write(*,*) i
    end do
    !$OMP END DO
	!$OMP END PARALLEL
end subroutine mainFunction

subroutine indo()
implicit none
    integer k,thesum
    thesum = 0
    do k=0,100000000
        thesum = thesum + k
    end do
end subroutine

以下是运行结果：
串行：

并行：

注意事项

GFortran有一个规定就是一行最多72个字符(可能是古代穿孔机只能穿那么大的纸，这个习俗保留到了现在)。因此超过72个字符编译器就不认了，如果出了莫名其妙的错误，就说明有可能超限制了。这个时候需手动换行，选一处加上&然后回车，再在下一行加上&
并行计算的时候do循环间坚决杜绝线程间有交叉使用的变量。否则出现竞争的情况，结果是并行速度比串行慢的，且程序有可能每次算得的值都不一样。比如下面这个程序，并行一定比串行慢，因为重复使用了变量j。

fortran

   !$OMP PARALLEL
!$OMP DO
   do i = 0,cir-1
       do j = 0,10000000
           s = s+ j
       end do
   end do
   !$OMP END DO
!$OMP END PARALLEL