Форум программистов [Powered by Invision Power Board]

Версия для печати темы
Нажмите сюда для просмотра этой темы в оригинальном формате

Форум программистов > C/C++: Общие вопросы > C++ vs F90, комплексные числа

Автор: kamre 19.10.2007, 23:16

Вообщем, имеется программа на fortran 90, интенсивно использующая вычисления с комплексными числами. Подумываю переписать ее на C++ и развивать дальше. Программа работает долго, поэтому очень важным критерием является скорость получаемого бинарного кода. Решил сравнить скорость работы с комплексными числами на C++ и на Fortran90, чтобы понять, не упадет ли производительность.

Вот код на Fortran 90:

Код


program test_bessel
  use ifport
  implicit none
  real(8), parameter ::  PI = 3.1415926535897932385d+0, maxArg = 10.0d+0
  integer, parameter :: szA = 13, szB = 12, maxiters = 10000000
  real(8) :: A(szA), B(szB)

  data A / 4.3583898233049950d-18,&
           6.2760813455591930d-16,&
           7.5940584281266230d-14,&
           7.5940584281266240d-12,&
           6.1511873267825650d-10,&
           3.9367598891408420d-08,&
           1.9290123456790120d-06,&
           6.9444444444444440d-05,&
           1.7361111111111110d-03,&
           2.7777777777777780d-02,&
           2.5000000000000000d-01,&
           1.0000000000000000d+00,&
           1.0000000000000000d+00 /

  data B / 1.1291359152578980d+06,&
           1.1265755163570870d+05,&
           1.2482831206172700d+04,&
           1.5549547523260120d+03,&
           2.2114912033081050d+02,&
           3.6640090942382810d+01,&
           7.2674560546875000d+00,&
           1.7944335937500000d+00,&
           5.8593750000000000d-01,&
           2.8125000000000000d-01,&
           2.5000000000000000d-01,&
           1.0000000000000000d+00 /

  complex(8) :: s, z
  real(8) :: r
  integer :: t1, t2, rate, i
  s = 0
  call system_clock(t1, rate)
  do i = 0, maxiters-1
    r = maxArg*i/maxiters
    z = I0(dcmplx(r,r))
    s = s + z
  end do
  call system_clock(t2, rate)
  write(*, *) 's: ', s
  write(*, *) 'time: ', 1.0d+0*(t2-t1)/rate
  
contains
  complex(8) function I0(z)
    implicit none
    complex(8), intent(in) :: z
    complex(8) :: s, x
    integer :: i
    if (abs(z) < 5.0d+0) then
      x = z*z*0.25;
      s = A(1)
      do i = 2, szA
        s = A(i) + x*s
      end do
    else
      x = 0.5d+0/z
      s = B(1)
      do i = 2, szB
        s = B(i) + x*s
      end do
      s = s*exp(z)/sqrt(2.0d+0*PI*z)
    end if
    I0 = s
  end function I0
end program test_bessel

А вот эквивалентная программа на C++, использующая тип std::complex<double>, который является аналогом complex(8) из Fortran 90:

Код


#include <iostream>
#include <complex>
#include <ctime>

using namespace std;

const double PI = 3.1415926535897932385;

enum { szA = 13, szB = 12 };

const double A[szA] = {
  4.3583898233049950E-18,
  6.2760813455591930E-16,
  7.5940584281266230E-14,
  7.5940584281266240E-12,
  6.1511873267825650E-10,
  3.9367598891408420E-08,
  1.9290123456790120E-06,
  6.9444444444444440E-05,
  1.7361111111111110E-03,
  2.7777777777777780E-02,
  2.5000000000000000E-01,
  1.0000000000000000E+00,
  1.0000000000000000E+00
};

const double B[szB] = {
  1.1291359152578980E+06,
  1.1265755163570870E+05,
  1.2482831206172700E+04,
  1.5549547523260120E+03,
  2.2114912033081050E+02,
  3.6640090942382810E+01,
  7.2674560546875000E+00,
  1.7944335937500000E+00,
  5.8593750000000000E-01,
  2.8125000000000000E-01,
  2.5000000000000000E-01,
  1.0000000000000000E+00
};

complex<double> I0(const complex<double> &z)
{
  complex<double> s,x;
  if (abs(z) < 5.0) {
    x = z*z*0.25;
    s = A[0];
    for (int i = 1; i < szA; i++) {
      s = A[i] + x*s;
    }
  } else {
    x = 0.5/z;
    s = B[0];
    for (int i = 1; i < szB; i++) {
      s = B[i] + x*s;
    }
    s *= exp(z)/sqrt(2.0*PI*z);
  }
  return s;
}

int main()
{
  enum { maxiters = 10000000 };
  const double maxArg = 10.0;
  complex<double> s, z;
  double r;
  clock_t a = clock();
  for (int i = 0; i < maxiters; i++) {
    r = maxArg*i/maxiters;
    z = I0(complex<double>(r,r));
    s += z;
  }
  clock_t b = clock();
  cout.precision(15);
  cout << " s: " << s << endl;
  cout << " time: " << (b-a)*1.0/CLOCKS_PER_SEC << endl;
  return 0;
}

Компиляторы используются следующие:

Цитата

g++ (GCC) 4.2.1 (SUSE Linux)
Copyright © 2007 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Цитата

ifort (IFORT) 10.0 20070426
Copyright © 1985-2007 Intel Corporation. All rights reserved.

Компилирую вот так:

Код


g++ -O3 test_bessel.cpp -o test_bessel

и так:

Код


ifort -O3 test_bessel.f90 -o test_bessel

На моем ноутбуке (Processor (CPU): Intel® Celeron® M CPU 430 @ 1.73GHz) получаются вот такие результаты:
для c++:

Цитата

time: 4.97
time: 4.96
time: 4.97
time: 4.98
time: 4.94
time: 4.94
time: 4.94
time: 4.98
time: 4.98
time: 5.0
average time: 4.966

для fortran:

Цитата

time: 3.6016
time: 3.7884
time: 3.6533
time: 3.6837
time: 3.768
time: 3.8001
time: 3.801
time: 3.7961
time: 3.8362
time: 3.6987
average time: 3.74271

На рабочем компьютере пока еще не тестировал (хотя там только win2k, msvc-2005 и ifort 9.1), но все равно 4.966/3.742 ~= 1.33, т.е. c++ медленнее на 33%. Не слишком ли это много для такой простой программки? Программа на фортране сейчас считает по несколько часов, так что не хотелось бы ухудшить производительность на треть при переходе на c++.

Автор: Daevaorn 19.10.2007, 23:25

А компилятором С++ от Intel почему не протестировали? А то получаютсяне не очень равные условия. Хотя то что фортран быстрее вполне ожидаемо.

Автор: kamre 20.10.2007, 00:16

Цитата(Daevaorn @ 19.10.2007, 23:25)

А почему ожидаемо? Потому что в fortran тип комплексных чисел на уровне компилятора, а в c++ на уровне библиотеки stl?

На самом деле потестировал. Но результаты совсем плохие получились.

Цитата

icpc (ICC) 10.0 20070426
Copyright © 1985-2007 Intel Corporation. All rights reserved.

Комипилировал так:

Код


 icpc -O3 test_bessel.cpp -o test_bessel

Вот такие результаты:

Цитата

time: 9.77
time: 9.77
time: 9.84
time: 9.76
time: 9.75
time: 9.75
time: 9.75
time: 9.74
time: 9.8
time: 9.74
average time: 9.767

Честно говоря, никогда не разбирался с компилятором для c++ от Intel. Возможно не правильно компилирую...Глянул man, там куча опций для различных оптимизаций...
А с ним должны свои реализации stl идти или нет?

Автор: Ln78 20.10.2007, 07:14

Когда-то я тоже такое сравнение проводил, только использовал для фортрана транслятор то ли от MS (вроде именно его), то ли Compaq. Для С++ использовал VS7.0 и C++Builder6.0, сравнивал как стандартный класс complex, так и свой собственный, ещё давно написанный (я, вообще, "изобретатель велосипедов"). Борландовский оказался хуже всех. Для VS обнаружил какую-то непонятную особенность: операция деления комплексных чисел выполнялась на порядок медленнее, например, умножения. Собственная реализация оказалась неуступающей фортрановской, её и оставил для дальнейшего использования, цель сравнения была как раз выяснить, не пора ли её выбросить. Но это было лет 5 назад, сейчас этими задачами не занимаюсь, так что, возможно, сведения устарели.

Автор: Daevaorn 20.10.2007, 08:35

Цитата(kamre @ 20.10.2007, 01:16

)

Вот такие результаты:

а фортрановый вариант сколько? сранивать надо, один результат С++ ничего не говорит.

Автор: kamre 20.10.2007, 09:00

Цитата(Daevaorn @ 20.10.2007, 08:35)

Цитата(kamre @ 20.10.2007, 01:16

)

Вот такие результаты:

а фортрановый вариант сколько? сранивать надо, один результат С++ ничего не говорит.

В смысле сколько? В первом же посте есть время для Intel Fortran. А это я просто ту самую c++ программку скомпилировал компилятором Intel c++.

Автор: nickless 20.10.2007, 15:39

kamre, может стоит поискать специализированную либу для математических вычислений, а не переписывать кучу кода на С++? Библиотеки скорее всего неплохо оптомизированы, может ассемблером или тем же фортраном smile

Я правда такими либами ни разу не пользовался, могу только предложить соответствующий http://www.gentoo-portage.com/sci-libs портажей Gentoo, в Suse все эти либы скорее всего тоже есть.

Автор: kamre 20.10.2007, 18:27

Цитата(nickless @ 20.10.2007, 15:39)

nickless, пока "куча кода" на фортране не такая уж и большая, и вполне обозримая. В ней не используются никакие сторонние библиотеки. Просто если развивать этот код дальше, то мне кажется, что переход на c++ может дать некоторые преимущества. Но если при таком переходе сильно просядет производительность откомпилированной программы (раза в 1.5 и более), то это не очень оправданный переход.

Подскажите, какие-нибудь интересные сравнения в интернете на тему производительности кода на Fortran 90 и на С++.
Пока у меня в гугле что-то старенькое все находится и не очень по теме.

Автор: kamre 22.10.2007, 14:14

Сравнил на работе.
Процессор: Intel® Pentium® 4 CPU 3.00GHz.
Вот такие результаты вышли:

Цитата

ifort /?:
  Intel® Fortran Compiler for 32-bit applications, Version 9.1 Build 20060927Z Package ID: W_FC_C_9.1.032
  Copyright © 1985-2006 Intel Corporation.  All rights reserved.
ifort /O3:
  time:  3.406
  time:  3.406
  time:  3.391
  time:  3.406
  time:  3.406
  time:  3.391
  time:  3.406
  time:  3.391
  time:  3.407
  time:  3.391
  average time: 3.4001

Цитата

cl /?:
  Microsoft ® 32-bit C/C++ Optimizing Compiler Version 14.00.50727.42 for 80x86
  Copyright © Microsoft Corporation.  All rights reserved.
cl /O2:
  time:  12.656
  time:  12.671
  time:  12.671
  time:  12.718
  time:  12.687
  time:  12.656
  time:  12.671
  time:  12.703
  time:  12.656
  time:  12.687
  average time: 12.6776

Цитата

g++ --version:
  g++.EXE (GCC) 3.4.2 (mingw-special)
  Copyright © 2004 Free Software Foundation, Inc.
  This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
  warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
g++ -O3:
  time:  10.0
  time:  10.0
  time:  10.0
  time:  10.0
  time:  10.031
  time:  10.031
  time:  10.015
  time:  9.984
  time:  10.0
  time:  9.984
  average time: 10.0045

Автор: SergeCpp 22.10.2007, 15:58

http://www.research.att.com/~bs/performanceTR.pdf
(Note this document from Bjarne Stroustrup's Home Page)

PDF, 189 pages, 1.2 megs

The aim of this report is:
• to give the reader a model of time and space overheads implied by use of
various C++ language and library features,
• to debunk widespread myths about performance problems,
• to present techniques for use of C++ in applications where performance
matters, and
• to present techniques for implementing C++ Standard language and library
facilities to yield efficient code.
As far as run-time and space performance is concerned, if you can afford to use C for
an application, you can afford to use C++ in a style that uses C++’s facilities
appropriately for that application.

This report first discusses areas where performance issues matter, such as various
forms of embedded systems programming and high-performance numerical
computation. After that, the main body of the report considers the basic cost of using
language and library facilities, techniques for writing efficient code, and the special
needs of embedded systems programming.

http://www.ddj.com/cpp/184401628

Цитата

Many of C99's features came from extensions that vendors had made to their C compilers to permit FORTRAN programmers to move to C. A case in point: Cray Research had FORTRAN programmers who wished to be C programmers, but they needed FORTRAN's support for complex numbers.

http://www.ddj.com/web-development/184401491

Автор: SergeCpp 22.10.2007, 16:15

http://en.wikipedia.org/wiki/Template_metaprogramming

http://www.oonumerics.org/blitz/

Цитата

Blitz++ is a C++ class library for scientific computing which provides performance on par with Fortran 77/90.
It uses template techniques to achieve high performance.

http://www.oonumerics.org/blitz/examples/, also look at http://www.oonumerics.org/blitz/examples/fft.html