C/C++을 이용한 수치해석

C나 C++ 에서 함수호출없이, 그리고 필요한 메모리 및 변수스택을 미리 할당하고 하나의 함수 내에서 모든 루틴을 처리하면, 결국 포트란과 다를 게 없지 않나요.....

이 경우, 아무리 포트란 명령이 어셈블리어와 1:1 정도로 매칭되는 설계라고 하지만..
이런 특징은 C 도 마찬가지가 아닐까요.
또한 C++도 큰 클래스/함수/템플릿 호출이 아닌 다음에야... 같은 것일테구요.

속도문제로 포트란을 선택한다는 건 좀 이해가 안갑니다...

속도문제보다는 수치해석 관련자들의 관습과 기존의 포트란 소스들 때문같군요.

C, C++ 와 FORTRAN mixed programming
프로그램을 작성하다보면, 기존의 라이브러리나 소스를 이용하는 경우가 많이 있다. 이 경우
기존의 유용한 라이브러리들이 현재 사용하고자 하는 언어가 아닌 다른 언어로 작성된 경우
에는 각 언어간의 함수를 호출하는 방법을 이해하고 이에 따라 적절한 방법으로 함수를 호
출해야만 원하는 결과를 얻을 수 있다. 한 언에에서 다른 언어로 작성된 함수를 호출하기
위해서는 먼저 함수의 이름을 구성하는 방법과, 인수를 처리하는 밥업을 알아야만 한다.

1. extern "C"
C 와 C++ 는 calling conventuion과 parameter-passing 방법이 동일하다.그러나 함수이름
의 경우, c++ 에서는 외부 symbol에 대하여 decoration을 하기 때문에, c와 c++ 소스코드상
에서 같은 함수의 이름으로 정의되더라도 실제 함수이름이 c 컴파일러를 사용한 경우와
c++ 컴파일러를 사용한 경우가 달라지게 된다. 따라서 만일 c 컴파일러로 컴파일된 함수(c
언어의 함수라도 c++로 컴파일된 경우는 상관없다.)를 c++ 언어로 작성된 함수에서 호출하
기 위해서는 이 함수가 c 의 naming convention을 따르는 함수라는 것을 알려주어야 한다.
이와같은 기능을 수행하는 것이 extern "C" 이다.
FORTRAN 으로 작성된 함수를 호출하는 경우에는 이보다도 더 복잡해지는데, g77의 경
우 특별한 옵션을 설정하지 않는 경우 기본적으로 함수의 이름이 소문자로 구성되고 함수의
이름 끝에 underbar _ 가 따라오게 된다. 따라서 c++에서 FORTRAN 함수를 호출하는 경
우 일단 함수이름을 소문자로 구성하고(g77의 기본설정만을 예로들고 있다) 함수이름 끝에
underbar를 붙인 함수를 extern "C" 선언으로 명시해주어야 한다.

아래에 간단한 c 함수와 FRTRAN 함수를 c++에서 호출하는 예제프로그램이 있다.

void cfn(float f)
{
printf(" c function val=%f \n",f);
}

SUBROUTINE FFN(V)
REAL V

WRITE(*,*) 'FORTRAN FUNCTION V=',V

RETURN
END

#define ffn ffn_

extern "C" { void ffn(float &v); }
//extern void cfn(float);
extern "C" { void cfn(float);}
main()
{
float v;
v=3.0;
cfn(1.0);
ffn(v);
}

OPT = -O2 CXX = g++ CC = gcc CXXFLAGS = -Wall -fPIC -DR__GLIBC $(EXTRA_CXXFLAGS) CFLAGS = -Wall -fPIC -DR__GLIBC $(EXTRA_CFLAGS) # Linker: LD = g++ LDFLAGS = $(OPT) $(EXTRA_LDFLAGS) SOFLAGS = -shared -Wl,-soname, SOEXT = so SYSLIBS = -lm -ldl -rdynamic XLIBS = -L/usr/X11R6/lib -lX11 -lXpm CILIBS = -lm -ldl -rdynamic CRYPTLIBS = -lcrypt THREAD = -lpthread # Fortran: F77 = g77 F77FLAGS = $(OPT) F77LIBS = -lg2c

.SUFFIXES: .cxx

%.o: %.cxx
$(CXX) $(OPT) $(CXXFLAGS) -c $<

%.o: %.c
$(CC) $(OPT) $(CFLAGS) -c $<

%.o: %.f
ifeq ($(F77),f2c)
f2c -a -A $<
$(CC) $(OPT) $(CFLAGS) -c $*.c
else
$(F77) $(F77FLAGS) -c $<
endif

OBJS= main.o cfn.o ffn.o

all: $(OBJS)
$(LD) $(LDFLAGS) $(OBJS) -o mixed.exe $(F77LIBS)

위의 Makefile에서 볼 수 있듯이 .c 는 gcc 로 컴파일을 하고, .f 는 g77, .cxx 는 g++ 로
컴파일을 하도록 하였다. main 함수에서는 ffn 와 cfn을 호출하는데 cfn 의 경우 단순히
extern "C" 로 함수를 선언해 주었지만, ffn의 경우 ffn 대신 ffn_ 으로 재정의해서 extern
"C" 로 선언한 것을 볼 수 있다. 또한 c와 c++에서는 변수전달이 기본적으로 변수자체가 전
달되는 것이 아니라 값이 전달되지만, FORTRAN의 경우 변수자체가 전달된다. c++에서 변
수자체를 인수로 전달할 수 있는데, 이것은 위와 같이 참조 &를 사용하면 된다..

2. COMMON 블록의 처리
FORTRAN COMMON BLOCK과 C++ 클로벌 변수와 데이터를 공유하는 것도 기본적으로
는 함수의 경우와 유사하다. FORTRAN COMMNOM 블록을 설정한 경우 이 블록의 시작
주소를 저장하기 위해 COMMON 블록의 이름을 변수이름으로 하는 전역변수가 설정된다.
함수의 경우와 마찬가지로 g77의 경우 변수이름은 소문자에 underbar 가 붙게 된다.
common 블록의 경우 연속된 메모리 영역을 차지하게 되므로 이것은 c나 c++의 구조체로
대신설정 하면된다.( c++의 경우는 구조체가 없고 클라스 객체만이 존재한다. 따라서 struct
로 선언된 경우도 실제로는 public 객체일 뿐이다.)
먼저 COMMON 블록이 정의된 FORTRAN 코드의 함수를 다음과 같이 작성한다.
SUBROUTINE FFN2()
COMMON/DATAS/DATA1,DATA2,DATA3

WRITE(*,*) 'DATA=',DATA1,DATA2
DATA3=DATA1+DATA2

RETURN
END

다음으로 c++에서 이 common 블록과 함수에 접근하기 위해 FFN과 마찬가지로 FFN2
와 DATAS를 다음과 같이 정의 설정한다.

extern "C" void ffn2();
#define ffn2 ffn2_
#define DATAS datas_
그리고 DATAS를 다음과 같은 구조체로 선언해 준다.
extern "C"
{
typedef struct{
float data1,data2,data3;
}common_test ;
extern common_test DATAS;
}

이제 이 구조체 값을 설정해서 이 값이 FORTRAN common 블록에 어떻게 작용하는지 다
음과 같은 코드를 작성한다.
main()
{
DATAS.data1=1.0;
DATAS.data2=2.0;

ffn2();
cout << "sum=" << DATAS.data3 << endl;
}

3. 문자열을 인수로 갖는 함수

C(C++) 와 FORTRAN 은 문자열 인수를 ㅊ퍼리;하는 방법이 다르다.(같은 FORTRAN의
경우라도 컴파일러에 따라 함수에 문자열을 전달하는 방법에 차이가 있다.) fortran에서는
문자열을 전달할 때 자체의 문자열 데이터뿐 아니라 전달되는 문자열의 크기를 필요로 하
는데, g77의 경우 문자열과 일반변수를 같이 전달하는 경우 문자열의 길이에 관한 정보는
인수의 뒷부분에 한꺼번에 순서대로 전달한다. 이것은 예제를 통해 이해하는 것이 쉽기 ㄸ
문에 다음과 같은 문자열과 일반변수를 같이 같는 fortran 서브루틴이 있다고 가정하자
SUBROUTINE FFN3(C1,C2,I1,F1)
CHARACTER*20 C1,C2
INTEGER I1
REAL F1

WRITE(*,*) C1,C2,I1,F1

RETURN
END

이제 C++에서 이 함수를 사용하기 위한 과정을 살펴보자. 앞에서 설명한대로 먼저 함수이
름을 소문자 underbar를 같도록 다음과 같이 정의한다.
#define ffn3 ffn3_
다음으로 이 함수이름이 컴파일과정에서 decoration 되지 않도록 extern "C"를 선언한다.
그런데 이 때 함수의 인수로 문자열이 있기 때문에 다음과 같이 문자열 포인터뿐 아니라 문
자열의 길이정보를 추가로 전달해야 한다.
extern "C" { void ffn3(const char*,const char*,int &, float &, const int,const int);}
이제 이 함수를 호출하도록 다음과 같이 코딩해보아라.

char c1[20],c2[20];
for(int i;i<20;i++){ c1[i]=0;c2[i]=0;}
sprintf(c1,"this is");
sprintf(c2,"mixed language test");

ffn3(c1,c2,3,4.0,strlen(c1),strlen(c2)) ;

SPICE라는 회로수준의 시뮬레이션 툴이 있습니다.. 수백만 X 수백만 정도의 sparce matrix를 다루기도 하고.. 반도체 시뮬레이션뿐 아니라 화학, 물리, 사회학등 sparce matrix로 모델링할 수있다면 다 쓰이고 있습니다...
SPICE는 변종이 많은데....
시작은 대학 4학년 과목의 컴프로젝트로 시작했습니다.. 포트란으로 처음 개발되어서.. 100% 완벽하게 C로 포팅된 버젼도 있습니다..
저도 C로된 SPICE3가져다가 컴파일해서 썼는데.. 이 넘 내부 구조가 장난아니죠...
이번 학기때 SPICE 내부 알고리듬에 관해서 배웠는데... 만든 사람의 엄청난 노동에 찬사를 보내고 싶은 마은이 들더군요...
이 과목 가르쳐주신 교수님이 SPICE를 텀프로젝트로 내주신 그 교수님에게서 박사 지도를 받으셔서 그런지 잘 알고 계시더군요..
HSPICE같은 경우 코어는 아직도 포트란이라더군요.. C와 포트란으로 크로스 링크해서 만든다더군요..
또 그 교수님이 미국 모토롤라사에서 파워칩을 설계하시다가 오셨는데...
모토롤라의 MSPICE같은 경우 C인데.. 소수만 26만 라인 정도 된다고 하더군요... 당시 개발자가 수십명 있었는데.. 어느 누구도 전체 구조를 모르고 있었다고 하시더라구요..
아주 흥미진진 했었습니다...

Watcom 포트란 컴팔러...어떤가요?
Maple같은 프로그램도 C나 C++로 짜여진거겠죠?

저는 몇십년 살아오다가 이제 수학의 중요함을 깨우치고 ㅋㅋㅋ 매스매티카를 공부하고 있습니다.. 헤헤헤

근데 Mathematica 와 Matlab 에는 차이가 있나요??

저는 예전에 포트란으로 프로그래밍을 했었습니다. 그러다가 나중에 C 로 바꾸었는데, 몇가지 수치해석에서 차이점이 있더군요. 일단 포트란(F77)은 무지 빠릅니다. 그 이유는 주로 단순한 배열의 사용과(단순해서 do loop 가 무지빠릅니다.물론 상용 컴파일러에 따라서는 무지 빠른 가속기가 존재할수도 있습니다.) 더우기 포트란은 프로그램 실행시에 모든 변수에 메모리를 한꺼번에 할당을 해서 시작합니다. 여기에다가 싱글연산과 더블연산을 하는 수학함수가 구별되어 있습니다. 더블연산은 시간이 더 걸리구요.
그러나 C 언어는 동적으로 메모리를 할당합니다. 프로그램 실행중에 함수나 malloc을 했을 때는 시스템에서 메모리를 새로이 할당을 해서 실행하기 때문에 시간이 걸리는 것 같습니다. 그리고 싱글 수학함수가 좀 빈약한 것 같구..
가장 큰 속도 차이는 데이타 타입에서 나옵니다. 포트란은 데이타 타입을 정해진 것만을 사용하는데 반하여 C 에서는 자기가 structure를 만들수 있습니다. 물론 편의상으로 structure 구문이 매우 편리하지만, 속도 면에서는 매우 느립니다. for 문에서 모든 배열의 어떤 특정 structure 값을 알고자 할때에는 stride를 하게 됩니다. continuous 하지 않은 이러한 stride 는 for 문을 가속시키는데 문제가 있습니다. 속도는 한 4배정도(경우에 따라 다르겠지만) 느려지더군요. 단순한 for 문에서요.
그리고 g77의 문제는 잘못된 계산결과(다른 상용 컴파일러에 비해서)가 나온다는데에 있습니다. 물론 문법적인 문제에 있어서 좀 까다롭게 컴파일을 하기때문에 컴파일이 잘 안되는 수가 있습니다. 그렇지만 g77에서의 이러한 문제는 컴파일러문제이기 보다는 실제로 코드가 g77(gcc)에서 요구하는 표준을 따르지 않아서 일경우가 많습니다. 제가 compaq, aix, solaris, gnu 컴파일러를 테스트하고 실제로 수치해석을 해본 결과 본인이 충분히 조심하면 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 물론 속도는 상용 컴파일러가 조금 빠르더군요. 그리고 상용 컴파일러는 버퍼(오류에 대한)가 좀 큰 편입니다. 특히 메모리 오버플로우를 잘 커버를 하던데요. 그래서 실제로 코드에 문제가 있을 수 있는데 상용 컴파일러에서는 문제없이 정확히 계산이 됩니다.

이만 잡설이었습니다.

조금 빗나간 질문이기는 한데..
지금 얘기하는 포트란이 77인가요 아니면 최근(?) 나온 90 혹은 95에대한 얘기인가요? 제가 알기론 포트란 95는 그 속에서 포인터도 되고 그런다던데 (실제로 써보진 못했습니다) 그럼 님들께서 얘기하시는 포트란의 화려한 속도를 어느정도 어느정도까지 얻어낼수 있는가 하는 의문이 드네요..(추측입니다^^)

실제로 포트란의 과거 코드는 거의 77 코드로 제공되고 님들께서 지금 얘기하시는 수치해석용 언어 포트란도 77에 대한 얘기가 아니신지요. 포트란 95의 속도에 대한 얘기를 들어보고 싶은데요..

미묘한 속도차이란 것이...

A가 B보다 0.1% 빠르다고 가정

B에서 1시간정도 연산해야 한다면 (약 3600초)
A에서 0.999시간정도 (약 3596초)

B에서 하루정도 연산해야 한다면 (약 1440분)
A에서 0.999일정도 (약 1438분)

B에서 한달정도 연산해야 한다면 (약 720시간)
A에서 0.999달정도 (약 719시간)

B에서 6개월정도 연산해야 한다면 (약 4320시간)
A에서 5.994개월정도 (약 4315시간)

음... 6개월정도 돌리니 겨우 연산속도 0.1% 차이나는데 5시간가량 차이나는군요. -_-;;;

역시 자바로 수치해석을 하는 미친놈입니다.

자바가 물론 느려 터집니다.
그런데 말씀하신 것 처럼 "같이" 일할 때는
그놈이 좀 쓸만 하다는거죠.

느리다고하는데 오브젝트 생성이 오버헤드가 크다는것을 말하는거겠죠? 그래서 수치해석을 할때는 오브젝트의 최대 개수를 미리 산출해서
resizing이 일어나지 않게하고 새로운 오브젝트
생성을 최대로 억제해서 하고있습니다.
충분히 만족할 만한 결과를 얻고있습니다.

물론 씨나 포트란에 비해 느리겠진만 충분히 쓸만합니다.

서비스팩 다 까니가 그나마 조금은 낫던데요.

intel fortran compiler for linux가 무료로 배포되고 있더군요(non-commercial license). Fortran 95까지 지원되고, intel home page에서 받을 수 있습니다.

이런 글 말고
좀 이제 전산하는 사람도 공부 얘기만 말고
우리 밥 그릇 좀 챙기면 안 되나요