Modern Fortran のコンパイルとデバッグ

Windows 10 Pro の WSL2 の Ubuntu18.04LTSで，Intel Fortran (ifort) version 19.1.2.275，gfortran 7.5.0 (gfortran)，および NAG Fortran 7.0 (nagfor) を使用し，沿岸海洋環境数値モデルコードのコンパイルで出会った Warning や Error と対応方針の備忘録です．Libraryは用いず，Fortranソースコードのみからなるプログラムを想定しています．NetCDFを用いて検証したかったのですが，コンパイラ毎に Library を用意するのは大変なので，NetCDFへのリンクの有無をプリプロセッサで制御できるようにし，本記事では外して検証しています．なお，本記事はあくまで個人で開発しているシリアル（並列化されていない）のプログラムを用いた実験結果で，一般性はあまりありません．
bashの環境変数の PATH 設定は full path とします（make で見つけられないため）．
結論として，NAG Fortran のコンパイラは未定義（初期化忘れ等）の発見が秀逸で，デバッグに最も威力を発揮しました．
Makefileは以下の様なものを準備しました．

.SUFFIXES : .o .f90

#FLAG_1 = -DNETCDF_OUT

FC = ifort
#FC = gfortran
#FC = nagfor

CPP = icc -E
CPPFLAGS = -P -traditional
CPPARGS = $(CPPFLAGS) $(FLAG_1)

### Intel Fortran 
FFLAGS = -auto -heap-arrays -ftrapuv -check all -warn -stand -fpe0 -traceback -g
#FFLAGS = -O2 -fp-model precise

### gfortran
#FFLAGS = -fbounds-check -O -Wuninitialized -fbacktrace

### NAG Fortran
#FFLAGS = -C=undefined -w=unused

TARGET = teem.exe

.f90.o :
    $(FC) $(FFLAGS) -c $<

OBJS = mod_util.o mod_globals.o mod_interface.o mod_grid.o mod_grid_bed.o mod_output.o mod_temperature.o mod_salinity.o mod_velocity.o mod_eco_water_param.o mod_eco_bed_param.o mod_eco_flux_param.o teem_flux.o teem_water.o teem_bed.o teem_wavehindcast.o  teem_main.o matrix_solver.o matrix_solver_bed.o bcond_surface_stress.o bcond_discharge.o bcond_bed_stress.o bcond_tide.o scalar_common.o teem_flow.o heat_flux.o coriolis.o etc.o bcond_met.o vdiffusion.o hdiffusion.o turbulence_model.o

#LDFLAGS = "${HOME}/local/netcdf4-intel-fortran/4.5.3/lib"
#INCLUDES = "${HOME}/local/netcdf4-intel-fortran/4.5.3/include"
#LIBS = -lnetcdff

LDFLAGS =
INCLUDES =
LIBS =

.F.o :
    $(CPP) $(CPPARGS) $*.F > $*.f90
#   $(FC) $(FFLAGS) -I$(INCLUDES) -c $*.f90
    $(FC) $(FFLAGS) -c $*.f90
#   rm -f *.f90

$(TARGET) : $(OBJS)
#   $(FC) -o $@ $(OBJS) -L$(LDFLAGS) $(LIBS)
    $(FC) -o $@ $(OBJS) $(LIBS)

run :
    ./$(TARGET) <./input/in2000m1999_1.dat

clean :
    rm -f $(OBJS) $(TARGET) *.mod *.f90

Intel Fortran (ifort)

オプション選択と計算結果への影響

標準的なオプションとして以下を採用しています．テストに用いたコードでは -O2
と -O3 の差はないようでした．

FFLAGS = -O2 -fp-model precise  # 標準
FFLAGS = -O2 -fp-model precise -traceback  # 実行時エラー情報取得
FFLAGS = -auto -ftrapuv -check all -warn -stand -traceback  # デバッグ時
FFLAGS = -auto -ftrapuv -check all -warn -stand -traceback -g  # デバッグ時 debugger利用

コンパイルオプションの異なる2つの実行形式を用意し，計算結果の実数配列値の差の絶対値の和をとり，チェックしたところ，以下の様になりました．

-O2 VS -O3  # No difference
-O2 VS -O2 -fp-model precise  # Significant difference
-O2 -fp-model precise VS -O2 -fp-model precise -fpe0  # No difference
-O2 -fp-model precise VS -O2 -fp-model precise -fpe0 -traceback  # No difference
-O2 -fp-model precise VS -O2 -fp-model precise -fpe0 -traceback -xHost  # Significant difference

結論として，-fp-model precise の有無と -xHost の有無が結果に大きく影響しました．テストケースは1年分の境界条件を用意し，沿岸海洋環境の変動を時々刻々再現するもので，同一の境界条件を用いて複数年の計算を実施し，平衡解（に近いもの）を得ようとするものです．1年程度の計算ではオプションによる差は軽微ですがが，10年分計算すると結構変わります．

Warning への対応

forrtl: warning (406): fort: (1): In call to MYFUNC, an array temporary was created for argument #1 参考

実引数 Array(1,1:10) を仮引数 Dummy(1:10) で受け取る場合はtemporary arrayが作成され，性能が劣化するようです．実引数の配列のメモリアクセスが不連続なためです．

Warning #5268: Extension to standard: The text exceeds right hand column allowed on the line.

1行132桁以内とする

Warning #8889: Explicit declaration of the external attribute is required

外部プロシージャのインターフェースを用意することで対応します．

デバッガー gdb

コンパイルオプション -g を追加してコンパイルを実行し，実行形式が teem.exe，標準入力に与えるファイルが ./input/in.dat とします．デバッガを実行すると詳細なエラー情報が表示されるはずです．

$ gdb teem.exe  # gdb 実行形式
(gdb) run <./input/in.dat  # run [< 標準入力用のファイル]

抜けるには quit と入力します．

Tips

NAG Fortran のおかげで変数の値が未定義のエラーがなくなった後で，ifort で -auto を追加してコンパイル・実行すると（-auto以外のオプションでは問題なく実行できていました），forrtl: severe (174): SIGSEGV, segmentation fault occurredとなりました．デバッガで調べたところ，以下のようなエラーでした．

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x00000000004ebe27 in teem_ecosystem_water::teem_eco_water_run (
    lout3d=<error reading variable: Cannot access memory at address 0xcccccccccccccccc>,
    tempt=<error reading variable: value requires 166320 bytes, which is more than max-value-size>,

スタック領域の不足を疑い，$ ulimit -s unlimited としたところ，問題なく実行できました．一方，コンパイルオプションの -heap-arrays を加えてコンパイルしても，このエラーは解消されませんでした．

NAG Fortran (nagfor)

トライアルではじめて利用させていただきました．強力なプログラムチェック機能 が売りとのことでしたが，それを実感し，感動しました．

オプション選択と計算結果への影響

NAG Fortran は未定義（初期値設定忘れ）の変数を発見する性能が秀逸です．デバッガーなしで実行時に問題箇所を指摘してくれました．配列の一部の値の指定漏れを指摘したのは NAG Fortran だけでした．

FFLAGS = -C=undefined -w=unused  # デバッグ時

Warning への対応

Questionable: ###.f90, line ###: DO index variable ### is not a local variable (it is from module ###)

module procedure内のDOループ変数を（行数節約のため）module変数として定義した場合に現れます．素直に各procedure内で局所変数として定義するのがよいでしょう．

その他

Fortran Builder をWindowsにインストール後，WSL2-Ubuntu の bashターミナルを立ち上げるとsyntaxエラーが発生しました．原因はWindowsのPATHが自動的に取り込まれる際，(x86)のように括弧を含むPATHを解釈できないためでした．Fortran Builderのデフォルトのインストール先は(x86)を含むフォルダ名で，これを適切に変更すれば回避できます．また，Fortran Builder の nagfor.exe を WSL2 の Ubuntuで使えないか試しましたがうまくいきませんでした．本記事はLinux版を使用しました．

The GNU Fortran (gfortran)

NAG Fortran を使用する前にgfortranを使ってみました．Intel Fortranよりも未定義変数を見つける性能が優れていると感じました．

FFLAGS = -fbounds-check -O -Wuninitialized -fbacktrace

参考資料

• Metcalf, M., Reid, J. and Cohen, M. Modern Fortran explained, Oxford University Press, 2018.
• Markus, A. Modern Fortran in Practice, Cambridge University Press, 2012.
• Brainerd, W. S. Guide to Fortran 2008 Programming, 2nd edition, Springer, 2015.
• Curcic M. Modern Fortran - Building efficient parallel applications -, Manning, 2020.
• Chirila, D. B. and Lohmann, G. Introduction to Modern Fortran for the Earth System Sciences, Springer, 2015.
• 牛島省．数値計算のためのFortran90/95プログラミング入門（第2版），森北出版，2020．
• 暗黙の型宣言編著．Fortranによる実践オブジェクト指向プログラミング，2018．
• NAG Fortran コンパイラ 7.0 マニュアル
• Damian Rouson This is not Your Parents' Fortran: A scalable, Parallel, Functional, OO PDE Solver
• Wikipedia: Partitioned global address space (PGAS) (和訳)