Ubuntu中Fortran程序如何进行性能分析

Ubuntu下Fortran程序性能分析实用指南

一 基础准备与快速计时

• 安装编译器：sudo apt update && sudo apt install gfortran。
• 编译与运行：使用优化级别 -O3 编译，获得更贴近真实的性能；用 Fortran 内置例程 cpu_time 做快速计时。
• 示例要点：
  • 代码示例：
    program main
    implicit none
    real :: start_time, end_time, elapsed_time
    call cpu_time(start_time)
    ! … 你的计算 …
    call cpu_time(end_time)
    elapsed_time = end_time - start_time
    print *, "Elapsed time: “, elapsed_time, " seconds”
    end program main
  • 编译运行：gfortran -O3 -o main main.f90 && ./main
• 说明：cpu_time 返回的是处理器时间，适合做相对性能对比；做更细粒度分析请使用下述专用工具。

二 工具链与选择建议

三 逐步操作示例

• gprof（函数级热点）
  1. 编译：gfortran -O3 -pg -o prog prog.f90（多文件时每个 .f90/.o 都加 -pg）。
  2. 运行：./prog（正常退出才生成 gmon.out）。
  3. 报告：gprof prog gmon.out -b；常用选项：-p（仅Flat profile）、-q（调用图）、-A（源码注释）。
  4. 解读要点：关注“% time”“self seconds”“calls”；调用图可定位父子函数关系与瓶颈路径。
  5. 注意：多进程/MPI 会各自生成 gmon.out；库函数默认不统计，需链接带 -pg 的库版本（如 -lc_p）。
• perf（CPU 热点与调用栈）
  1. 安装：sudo apt install linux-tools-common linux-tools-$(uname -r)；验证：perf --version。
  2. 统计：perf stat ./prog（获得周期、指令、CPI 等）。
  3. 采样热点：perf record -F 99 -a -g ./prog（或仅对 PID：perf record -p -g）；查看：perf report。
  4. 火焰图：sudo apt install git flamegraph；记录后执行：perf script | FlameGraph/stackcollapse-perf.pl | FlameGraph/flamegraph.pl > flame.svg。
  5. 权限：若报权限不足，临时降低限制：echo 1 | sudo tee /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid。
• Valgrind Massif（堆内存峰值与分配栈）
  1. 安装：sudo apt install valgrind。
  2. 运行：valgrind –tool=massif ./prog（可加 --time-unit=ms）。
  3. 分析：ms_print massif.out.xxxx；关注“Peak heap usage”和分配调用栈，定位大对象/频繁分配。

四 并行与常见问题处理

• 并行与多进程
  • OpenMP：gfortran -fopenmp -pg -O3；用 perf 时建议关闭并行（-fopenmp 改为串行）先定位单线程热点，再回到并行做负载均衡与同步优化。
  • MPI：mpifort -pg -O3；每个进程会生成各自的 gmon.out，需分别分析或在作业脚本中按进程号收集。
• 常见问题
  • gmon.out 缺失：程序需从 main 正常退出或调用 exit；异常终止不会生成。
  • 多文件遗漏：所有参与链接的源文件与目标文件都需 -pg。
  • 库函数不可见：链接带 -pg 的库版本（如 -lc_p）。
  • perf 权限受限：检查 /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid；必要时临时设为 1 或更低，或以 root 运行。
  • 火焰图缺失符号：确保二进制包含调试信息（如 -g），并使用与运行环境匹配的二进制进行分析。