是什么使Fortran快速？

Fortran在数值编程中占有特殊的位置。您当然可以使用其他语言来制作优质，快速的软件，但是Fortran虽已发展多年，但仍然保持着出色的性能。此外，在Fortran中编写快速程序更加容易。我已经用C ++编写了快速程序，但是您必须更加小心指针别名之类的内容。因此，必须有一个原因，并且是一个非常技术性的原因。是因为编译器可以优化更多吗？我真的很想知道技术细节，因此，如果我使用另一种语言，则可以考虑这些因素。

例如，我知道-或我认为-有一件事是，该标准指定指针在内存中始终是连续的，这意味着更快的内存访问。我相信您可以在C ++中通过向编译器提供标志来做到这一点。通过这种方式，有助于了解Fortran的优势，因此，如果使用其他语言，我们可以效仿。

语言设计师面临许多选择。 肯·肯尼迪（Ken Kennedy）强调了两个：（1）更好的抽象和（2）更高或更低级别的（更少或更多类似于机器的）代码。虽然像Haskell和Scheme这样的功能语言专注于前者，而传统的科学计算语言（如Fortran和C / C ++）却专注于后者。说一种语言比另一种语言快通常会产生误导：每种语言都有其擅长的问题领域。Fortran在基于数组的数字代码方面要比其他语言更好，这有两个基本原因：其数组模型和明确性。

阵列模型

Fortran程序员主要进行数组操作。为此，Fortran促进了其他语言无法提供的几种编译器优化。最好的例子是向量化：了解数据布局可以使编译器在数组上调用程序集级内在函数。

语言显性

尽管似乎一种较简单的语言应比较复杂的语言“更好”地进行编译，但实际上并非如此。当用汇编语言编写代码时，编译器无能为力：它所看到的只是非常细粒度的指令。仅在为基于数组的计算带来真正回报的情况下，Fortran才需要明确性（因此，程序员需要更多工作）。Fortran使用简单的数据类型，基本的控制流和有限的名称空间。相比之下，它没有告诉计算机如何加载寄存器（这对于实时而言可能是必需的）。Fortran 是显式的，它启用了诸如完整类型推断之类的功能，可帮助新手入门。它还避免了使C变慢的一件事：不透明的指针。

Fortran可能会变慢

Fortran 不能快速完成所有任务：这就是为什么很少有人将其用于构建GUI甚至用于高度非结构化的科学计算的原因。一旦离开了用于图形，决策树和其他领域的数组世界，这种速度优势就会很快消失。有关一些示例和数字，请参见计算机语言基准。

Fortran的设计允许编译器在某些情况下执行更强大的优化，这些优化通常不适用于C。

一个著名的例子是别名的处理。在Fortran中，只有与特定存储区关联的特定符号，您才能访问该特定存储区。这些知识使编译器可以在需要缓存时采用一些巧妙的技巧：它知道某个值是否已潜在更改。直到F90，这很容易验证。当推出Fortran 90时pointers，这一假设不再成立：您可以通过两个（或更多）符号访问相同的内存区域。这就是为什么必须指定target要通过指针寻址的数组的原因。

另一个有趣的事实是，许多构造允许编译器无需用户干预即可执行并行化。由于Fortran作为语言的相对“平台不可知论”，所以这种奢侈是可能的。

还有许多其他类似的技巧。此外，请记住，除了数值计算之外，今天没有人使用Fortran，这意味着Fortran编译器的核心功能和卖点是最终的代码速度。结果，供应商专注于此。

但是，您也可以使用其他语言来生成高性能代码。但是，它可能需要特殊护理或人为干预。但是，总的来说，直到出现问题，性能才是问题，而人工花费的时间比计算机花费的时间要昂贵得多。因此，编码实践应着重于节省人工，而不是计算机时间。

我不认为Fortran如此接近金属（请参阅其他答案），但是它往往非常容易优化。循环很简单，语言很容易支持向量化扩展（好吧，当我在第一份工作中使用它时，我们的目标是各种各样的向量大铁器）。

还有很大的惯性因素。Fortran中包含许多数字代码，因此高端服务器和超级计算机的构建者确保他们编写良好的优化Fortran编译器。编译器很好（即使在相对缺乏高质量编译器的机器上），因此用户继续使用Fortran甚至在其中编写新代码。因此，构建器确保其下一代具有良好的编译器等。

注意这里的都市神话。如果两个编译器生成相同的汇编代码，则生成的程序将具有相同的性能。

对于任何给定的逻辑，都有一个汇编语言的程序可以最大程度地减少其执行时间。该程序不在乎是哪个编译器生成的。

也就是说，存在编译语言可以使程序员的生活更轻松。这样做的部分代价是，它们可能会诱使用户使用不会缩短执行时间的功能。最好的例子是new在C ++中。（它的速度有多慢-只有三个字符？）实际上是乞求您动态分配内存，而不必关注运行时成本。如果您要这样做，那就太好了，但是Fortran可能会更快，因为它并没有吸引您这样做。

但是除此之外，我从未见过一个程序，如它最初编写的那样，它并没有很大的性能提升空间，而这种性能是编译器永远无法为您解决的。例如，花费大量时间调用exp和/或log重复使用相同的参数。再举一个例子，调用DGEMM乘以矩阵并发现调用LSAME只是为了解密其输入字符参数会花费大量时间。

这是在人们同时说由于指针别名或循环展开而使Fortran更快的同时。这就像说保时捷制造的公共汽车肯定比雪佛兰制造的公共汽车要快。需要有一些常识。