Debian如何进行Fortran代码性能测试 - 问答

Debian下Fortran代码性能测试与优化实践

一环境准备与基线计时

安装工具链：sudo apt update && sudo apt install -y gfortran linux-tools-common linux-tools-generic linux-tools-$(uname -r)。
基线计时示例（wall-clock 与 CPU 时间）：

program baseline
  implicit none
  real :: t0, t1, cpu0, cpu1, wall
  call cpu_time(cpu0)
  t0 = second()
  ! --- 被测代码 ---
  call work()
  ! ----------------
  t1 = second()
  call cpu_time(cpu1)
  wall = t1 - t0
  print '("Wall: ", F0.4, " s, CPU: ", F0.4, " s")', wall, cpu1 - cpu0
contains
  subroutine work()
    integer, parameter :: n = 100_000_000
    real :: s, x
    s = 0.0
    do i = 1, n
      x = sin(real(i))*cos(real(i))
      s = s + x
    end do
  end subroutine work
  function second() result(t)
    real :: t
    call cpu_time(t)
  end function second
end program baseline

编译与运行：gfortran -O3 -o baseline baseline.f90 && ./baseline。建议固定CPU亲和性与电源策略（如 performance 模式），并在释放模式下测试（关闭调试、日志、额外打印）。多核/并行场景请控制线程数（如 OMP_NUM_THREADS），并做多次运行取中位数以减小噪声。

二工具链与适用场景

工具	主要用途	关键要点与局限
gprof	函数级热点、调用图	编译加-pg；仅统计用户态，对并行/内核态占比高的程序不准确；MPI/多进程需汇总各 rank 的 gmon.out
perf	硬件事件采样、火焰图	编译加-g；系统级，能看指令/缓存/分支；适合定位热点与系统瓶颈
Valgrind/Massif	堆内存分配与峰值	编译无需特殊选项；开销大，适合功能正确性与内存热点定位，非纯 CPU 吞吐基准
Intel VTune	深度硬件分析	支持多语言/HPC；需安装；适合复杂瓶颈剖析
TAU、HPCtoolkit	大规模并行/HPC 分析	多用于集群/HPC 场景；部署复杂
以上工具在 Linux（含 Debian）上均可使用，选择时优先考虑：gprof（轻量函数热点）、perf（系统级热点与火焰图）、Valgrind（内存分配与泄漏）。

三逐步操作示例

gprof 函数级热点
1. 编译：gfortran -O3 -pg -g -o app app.f90（多文件需对所有源文件加 -pg）。
2. 运行：./app（正常退出才会生成 gmon.out）。
3. 报告：gprof app gmon.out -b > analysis.txt；常用选项：-p（flat profile）、-q（调用图）、-A（源码注释，需 -g）。
4. 注意：gprof 主要覆盖用户态，对并行/长时间内核态的程序不敏感；MPI 需合并各 rank 的 gmon.out 再分析。
perf 采样与火焰图
1. 编译：gfortran -g -O3 -o app app.f90。
2. 采样：perf record -e cpu-clock -g ./app（可用 -e cycles/instructions/cache-misses 等事件）。
3. 生成火焰图：
  perf script -i perf.data > perf.unfold
  ~/FlameGraph/stackcollapse-perf.pl perf.unfold > perf.folded
  ~/FlameGraph/flamegraph.pl perf.folded > perf.svg
4. 查看：浏览器打开 perf.svg，定位占比最高的函数路径。
Valgrind/Massif 内存分配热点
1. 运行：valgrind --tool=massif ./app。
2. 分析：ms_print massif.out.xxx 查看堆分配随时间/调用栈的变化，定位大块分配与峰值。

四并行与 MPI/OpenMP 的测试要点

OpenMP：设置环境变量（如 OMP_NUM_THREADS、OMP_PROC_BIND、OMP_SCHEDULE），编译时加 -fopenmp；用 perf/VTune 观察线程负载均衡与并行效率。gprof 对多线程支持有限，优先用采样类工具。
MPI：mpifort/mpicc 编译时各 rank 均需 -pg；运行后每个 rank 生成 gmon.out，需合并/分别分析；更推荐 perf 或 Intel VTune 做系统级热点与硬件事件分析。
通用建议：保持相同输入/随机种子、固定线程绑定、预热（先跑若干次再计时）、隔离环境（避免后台任务）、多次取中位数；报告需注明编译器版本、优化级别、CPU 型号、线程数/进程数与运行命令。

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