如何在Debian上使用Fortran进行科学计算

在 Debian 上使用 Fortran 进行科学计算的快速指南

一 环境准备与编译器安装

• 更新索引并安装基础工具与编译器：
  • sudo apt update
  • sudo apt install -y gfortran build-essential cmake
• 验证安装：
  • gfortran --version
• 可选：安装 Intel oneAPI（ifx/ifort）用于高性能与 MKL 生态
  • 下载 Base/HPC 离线安装脚本，执行静默安装（示例）：
    • sudo sh l_BaseKit_p_2022.3.1.17310_offline.sh -a --silent --eula accept
    • sudo sh l_HPCKit_p_2022.3.1.16997_offline.sh -a --silent --eula accept
  • 初始化环境（加入 ~/.bashrc 以持久化）：
    • echo “source ~/intel/oneapi/setvars.sh” >> ~/.bashrc
    • source ~/.bashrc
• 说明：gfortran 足以完成大多数科学计算；oneAPI 适合追求极致性能与调用 MKL 的场景。

二 线性代数与常用数值库

• 使用系统库一键安装（推荐）：
  • sudo apt install -y libopenblas-dev liblapack-dev liblapacke-dev libtmglib-dev
• 说明：
  • OpenBLAS 提供优化的 BLAS 实现；LAPACK 提供线性方程组、特征值/奇异值等高层算法；LAPACKE 为 C/Fortran 提供接口层；tmglib 包含矩阵测试与生成例程。
• 验证链接可用性（示例）：
  • gfortran -o test_lapack test_lapack.f90 -llapack -lopenblas
  • 若使用 MKL（oneAPI 安装后），可通过环境变量或 MKL 提供的链接脚本配置，详见下一节示例。

三 并行与高性能计算

• MPI 并行（示例采用 OpenMPI + gfortran）
  • 安装：sudo apt install -y openmpi-bin libopenmpi-dev
  • 编译与运行：
    • mpif90 -o mpi_hello mpi_hello.f90
    • mpirun -np 4 ./mpi_hello
• 使用 Intel oneAPI 的 MPI（可选）
  • 安装 oneAPI HPC 后，source setvars.sh，使用 oneMKL 与 oneMPI 提供的工具链与库；适合需要 MKL 加速与统一工具链的场景。

四 示例与构建

• 示例 1 基础程序（hello.f90）
  • 代码：
    • program hello print *, “Hello, Fortran on Debian” end program hello
  • 编译与运行：
    • gfortran -O2 -o hello hello.f90
    • ./hello
• 示例 2 调用 LAPACK 求解线性方程组（dgesv，示例文件 test_dgesv.f90）
  • 代码要点：
    • 使用 double precision，调用 dgesv 求解 Ax=b，检查 info=0 表示成功
  • 编译与运行（系统库）：
    • gfortran -O2 -o test_dgesv test_dgesv.f90 -llapack -lopenblas
    • ./test_dgesv
• 示例 3 使用 Intel MKL（oneAPI 环境）
  • 设置库路径（若未由 setvars.sh 自动配置）：
    • 将 $MKLROOT/lib/intel64 加入 LD_LIBRARY_PATH
  • 链接示例（可用 MKL Link Line Advisor 生成更精确参数）：
    • gfortran -O2 -o test_mkl test_dgesv.f90 -L$MKLROOT/lib/intel64 -lmkl_rt
  • 运行前确保已执行 source ~/intel/oneapi/setvars.sh。

五 项目构建与生态工具

• 使用 FPM（Fortran Package Manager） 管理依赖与构建（现代 Fortran 项目推荐）
  • 安装：参考 FPM 官方安装脚本或使用系统包管理器/conda-forge 提供的版本
  • 常用命令：
    • fpm new myapp && cd myapp
    • fpm build
    • fpm run
    • fpm test
• 与 Python 协同
  • 通过 F2PY 将 Fortran 子程序封装为 Python 扩展模块，便于在 Python 科学计算栈（NumPy/SciPy）中调用。