大型的基于Fortran的数字处理代码库如何现代化？

一个学术界的朋友向我征求意见（我是C＃业务应用程序开发人员）。

他拥有一个遗留代码库，他在Fortran中编写了医学成像领域的代码。它使用向量进行大量的数字运算。他使用一个集群（30个核心），现在已转向拥有500个GPU的单个工作站。

但是，代码库的下一步是什么：

• 其他人可以在下一个10年周期内对其进行维护
• 更快地调整软件
• 可以在不同的基础架构上运行而无需重新编译

经过我的研究（这是一个非常有趣的领域），一些选择是：

• 使用Python和CUDA来自Nvidia的
• 用功能语言重写。例如，F＃或Haskell
• 基于云并使用诸如Hadoop和Java之类的工具
• 学习C

您对此有何经验？我的朋友应该如何看待现代化的代码库？

更新：感谢@Mark和所有回答的人。我的朋友问这个问题的原因是，这是在项目生命周期中进行评估的最佳时机。在Fortran中提高研究助手的速度是需要时间的（我喜欢C＃，尤其是工具，无法想象回到旧的语言！！）

我喜欢将纯数字格式保留在Fortran中的建议，但将其包装在较新的版本中。也许那样的Python似乎在学术界占有一席之地，这是一种相当容易掌握的通用编程语言。

请参阅Medical Imaging和为CUDA编写Fortran包装器的人，我可以将我的Fortran 90包装器合法发布到Nvidias的CUFFT库（来自CUDA SDK）吗？。

对于这样的问题，您实际上提出的要求使Fortran处于列表的顶部：

一）数字运算
B）paralellable
c）其是，现在仍然是事实上的 CS研究的语言教外（工程师谁不是专业的程序员）。
d）拥有令人难以置信的（！）行业支持，并且是许多行业级别的编译器明智的选择，而且没有一家供应商显示出放弃该分支的最少迹象。不久前英特尔的一位代表透露，他们的Fortran产品的销售量比其开发工具中的其他产品都要高。

这也是一种难以置信的语言。我不同意让研究助手尽快投入时间。我的第一本教科书上只有不超过30（？）页的稀疏印刷文本，哦，我不知道。它是一种语言，在学习了10个关键字之后，可以编写中等大小的程序。我敢说，用默认的Word文本编写的那30页对于大多数用户来说将构成一本更加全面的“ Fortran手册”。

如果你感兴趣的CUDA，你可能要检查波特兰集团的编译器，它支持它。我对更好的细节并不熟悉，但人们通常赞扬它。

除此之外，对于并行程序，您还可以使用OpenMP，MPI以及现在即将推出（且期待已久）的协同阵列，英特尔的编译器最近实现了它们。为了不浪费言语，Fortran具有用于程序并行化的非常好的“库”伽马。

为此，首先开发了行业标准的数字库，其他语言则或多或少地出现在功能/例程组合中。

话虽这么说，但是我还是会建议（取决于最初编写的时间）是F77代码或更旧的代码，还是随着时间的流逝部分地将其重写为较新的方言-至少是F90，如果可能的话还可以使用F2003功能。一个有关该主题的论文/论文近日发表（中等大小的PDF文件前面）。如果做得正确，不仅可以确保跨多个平台的可移植性，还可以使将来的维护更加容易。

ps就“未来维护”而言，只是我有时会提到的一部轶事。在撰写论文时，我重用了我导师的一些代码，这些代码是从撰写本文开始的35年前编写的。它只编译出一个错误。由于复制粘贴错误，结尾处缺少声明：)

@DaveMateer（回复评论） -我将在下面发表评论，这可能有点不礼貌，但请不要以错误的方式对待，因为这是出于公平的意图。

在我看来，您正在以错误的方式解决此“问题”。我的意思是简短的几点（因为现在还很晚，而且我能够整理可读（更不用说易于理解）的句子的能力使我在晚上10点之后离开。）

一）你提到你想尽量减少额外的编码时间，但你正在考虑从专门用于数值计算，以一个语言重写的语言丰富多彩的选择，如果你会原谅我的表情

• 其中一些不支持多维数组，除其他外
• 它们中的大多数不适合进行繁重的数值工作（我承认Haskell和Hadoop的并行处理能力，我对此一无所知，但从未听说过它们在那些圈子中）
• 它可能已经尝试过，但是我从未听说过将Fortran（一种离散问题的语言）重写为功能性语言的方法
• 最近在comp.lang.fortran（尝试通过Google网上论坛进行搜索）上进行了有关“云端”科学计算方面的讨论
  （不想降低您的积极性，但是，公平地说，没有人真正确保这个词甚至代表什么，更不用说有成功应用的例子了。大多数人同意潜力的存在，但到目前为止，他们对目前的运作方式感到满意。许多问题也不适合这种并行化。

b）这样重写的费用是多少？人/小时。

c）-要编译的库的正确版本...-在任何语言中都是一个问题，无法避免，但是您可以看一下。

d）我听说过在某些场合并行应用程序中使用了Python（实际上是一种不错的语言），但是它在该市场的渗透率似乎并没有上升，而且它不断变化的性质使其成为一个非常差的选择。长期项目（请考虑向后兼容）。有些人非常喜欢它作为一种“胶水”语言。

gh，如果我有其他想法，请明天再添加。得睡一会...

我怀疑Fortran是否会死掉-它具有如此庞大的软件遗产和库，以至于人们仍在研究它，只是稳定了这种情况。此外，如果您不希望做除数字运算之外的其他事情，它仍然是一种非常好的语言-语法非常优雅且合乎逻辑，而且编译器可以轻松猜测正在发生的事情。因此，可以保证任何新的硬件加速器技术都将支持C，Fortran和某种OpenCL（最终将其融合为可靠的东西）。

因此，我想您应该将数字部分清楚地分开，将其保留在Fortran中，进行清楚的绑定，然后将其余部分写在您想要的任何地方。

Python确实在科学计算社区中获得了广泛的关注（有关过时的观点，请参阅CiSE的第9卷第3期）。我认为Python / Fortran混合是一种绝佳的选择。为了利用所有这些GPU，您可以使用PyCUDA或PyOpenCL。

我是一位数学家，负责分析和编写偏微分方程的数值求解器。我最近和你朋友的处境相似。有问题的Fortran 77代码是著名的Clawpack软件。我们用Python重写了顶层代码（不需要快速的所有部分），并使用f2py自动包装了底层部分。

真正强大的结果是，我们几乎可以轻松地将Python / Fortran混合代码（称为PyClaw）与并行库PETSc连接起来，首次创建了可扩展的并行版本Clawpack，在65K内核上表现良好。我们必须编写的所有并行代码都包含在少于300行的Python中。现在，我们正在解决用旧代码无法解决的问题。同样重要的是，由于Python是一种非常友好的语言，几乎所有内容都可以在运行时而不是编译时进行修改，因此新用户现在更容易提取代码。

如果您想了解我们的方法和结果的更多细节，请参阅arXiv。

对自我广告表示歉意，但似乎我的个人经验在这里很重要。如果您想听到更多的想法，也可以将其发布在新的http://scicomp.stackexchange.com上。

我目前的处境与您朋友的处境非常相似。我也非常想“现代化”我40多岁的KLOC Fortran-77旧代码。尽管尽管Fortran仍然被认为是数字处理应用程序中的王者，但我想说的是，这一切并没有丢失。（下面是夸夸其谈，请多多包涵。）

仅仅因为Fortran是用于数字代码的最佳语言，并不意味着我们必须一直随身携带如此繁琐，复杂的代码的庞大包（（是的，Fortran代码注定是凌乱的，尤其是Fortran-77跨过某些KLOC时实际上不考虑软件工程的语言）。提倡Fortran进行数字运算的人会忘记一般的观察，即对此类代码进行性能分析时，只有5％或10％的代码会占用大量性能，而其余90％以上的Fortran则是无用的开销，在那里使您成为“软件工程师”的生活变为现实。

当您从Fortran-77迁移到Fortran-90时，您实际上愿意在某种程度上权衡性能与语言功能。Fortran是强大的数字处理器，主要是因为Fortran-77。您可能会说Fortran-90是如此之快，但是编译器作者在添加Fortran-90 / 2003功能并保持Fortran-77性能时必须处理的优化问题与C编译器作者必须处理的问题没有太大不同。 （因此C也被认为是快速的，更不用说C也允许内联汇编了）。因此，为什么不开始将C代码（而不是Fortran-90）一点一点地添加到Fortran-77代码中。我的代码已经用C语言编写了一些代码，而在Fortran-77中则使用了一些代码，它在某些情况下（例如传递字符串，零索引/一索引等）非常有效。但是我从C中得到的好处是，

我再走一步。如果您想为数字运算代码提供一个很好的“人性化”界面，那么即使C（以及绝对是Fortran-90 / 95/2003）也太低级了。我正在考虑使用Python-Fortran-77或Python-C混合体。其中90％的代码是Python（包括Numpy，Scipy，可绘制性以及所有这些甜味），而性能密集型5％-10％的代码仍为Fortran-77或C代码。

我目前正在更新旧的FORTRAN95代码库，以在现代工业环境中使用，因为以前的版本最晚只能在Windows2000计算机上运行。FORTRAN代码库本身执行与灌溉模拟有关的大量数字运算。

因此，我要做的不是用更现代的语言重写FORTRAN，我只是使用一个称为Silverfrost FTN95的商业编译器将FORTRAN代码库编译为.Net 4.0库，并将其用作WPF应用程序的后端。这样，我就不会冒将已知错误引入仿真代码的风险，并且通过将代码库移至.Net 4.0框架来对其进行现代化，从而使其可以在更现代的环境中运行。

但是根据模拟的大小，您可能只想用一种更现代的语言（例如C＃）简单地重写整个内容，我自己计划在有运行的模拟版本与输出进行比较时执行此操作。

希望我的经验对您有所帮助，谢谢Alex。

我是2001-2003年一个项目的首席开发人员，该项目将100KLOC Windows应用程序从FORTRAN移植到C＃。它是一个数字处理应用程序，具有自己的Win32库自定义GUI绑定。C＃和WinForms的移植使代码的管理变得更加简单，并为每个人在Visual Studio中提供了更丰富的开发环境。早期有一些抵制（特别是在格式声明方面），但最终肯定是值得的。

我认为，咬住子弹并摆脱可能的最大数量的FORTRAN代码是有意义的。速度从来都不是问题-与C语言相比，使用C＃对C＃运行代码的初始测试发现性能差异可以忽略不计，即使C＃在运行托管代码。但是，您对向量的需求可能会略有不同，并且可以保留少量的FORTRAN代码。

这样做的另一个原因当然是与C＃开发人员相比，具有FORTRAN经验的人可以长期维护您的代码。此外，它还可以帮助团队士气以现代的，得到良好支持的语言进行工作。

有人告诉我，在许多情况下，MATLAB都将FORTRAN替换为科学计算应用程序。它不仅是现代且高级的，它的工作也非常快。许多从事医学成像软件工作的开发人员已经在使用MATLAB，因此它有几个专门用于医学成像的库。这意味着如果您使用MATLAB，则将同时找到工具和领域专家支持。