Fortran：动态数组与自动数组避免内存分配

分析我们的 Fortran 代码之一，有两个子例程占用了大部分计算时间（22.1% 和 17.2%）。在每个例程中，大约 5% 的时间花费在分配和释放内存上。这些例程看起来像

MODULE foo

CONTAINS

SUBROUTINE bar( ... )
...
IMPLICIT NONE
...
REAL, ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:) :: work
...
ALLOCATE (work(size1,size2))
...
DEALLOCATE (work)
END SUBROUTINE bar
...
END MODULE foo

在我的基准测试中，这些子例程被调用了大约 4000-5000 次，所以我想摆脱 ALLOCATE 和 DEALLOCATE。将这些更改为自动数组会更改探查器输出。

MODULE foo

CONTAINS

SUBROUTINE bar( ... )
...
IMPLICIT NONE
...
REAL, DIMENSION(size1,size2) :: work
...
END SUBROUTINE bar
...
END MODULE foo

将生成的配置文件更改为

Running Time        Symbol Name
20955.0ms  17.0%    __totzsp_mod_MOD_totzsps
    7.0ms   0.0%        malloc
    5.0ms   0.0%        free
    2.0ms   0.0%        user_trap

16192.0ms  13.2%    __tomnsp_mod_MOD_tomnsps
   20.0ms   0.0%        free
    3.0ms   0.0%        malloc
    1.0ms   0.0%        szone_size_try_large

我看起来 gfortran 正在堆栈上分配这些，而不是堆上，但我担心这些数组变得太大时会发生什么。

我采用的第二种方法是分配和释放这些数组一次。

工作数组.f

MODULE work_array
IMPLICIT NONE

REAL(rprec), ALLOCATABLE, DIMENSION(:,:) :: work

END MODULE work_array

我在代码的不同部分分配了一次这些。现在我的子程序看起来像

MODULE foo

CONTAINS

SUBROUTINE bar( ... )
...
USE work_array
IMPLICIT NONE
...
END SUBROUTINE bar
...
END MODULE foo

然而，当我现在运行代码时，配置文件变得更糟。

Running Time        Symbol Name
30584.0ms  21.6%    __totzsp_mod_MOD_totzsps
 3494.0ms   2.4%        free
 3143.0ms   2.2%        malloc
   27.0ms   0.0%        DYLD-STUB$$malloc_zone_malloc
   19.0ms   0.0%        szone_free_definite_size
    6.0ms   0.0%        malloc_zone_malloc

24325.0ms  17.1%    __tomnsp_mod_MOD_tomnsps
 2937.0ms   2.0%        free
 2456.0ms   1.7%        malloc
   23.0ms   0.0%        DYLD-STUB$$malloc_zone_malloc
    3.0ms   0.0%        szone_free_definite_size

这些额外的 malloc 和 free 从哪里来？我该如何设置才能分配这些数组一次？

自从work数组仅在内部使用bar子例程，您可以添加save属性给它并在第一次调用子例程时分配它。如果work1 or work2与之前的调用不同，在这种情况下您只需重新分配数组即可。

一旦不再需要子例程，这确实会带来释放问题。如果您需要在程序的整个生命周期内调用它，那没有问题，因为操作系统应该在程序退出时释放内存。另一方面，如果您只在初始化期间需要它，那么即使不需要，内存也会保持分配状态。也许您可以向子例程添加一个参数，告诉它取消分配work数组，如果内存使用有问题。