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@osada-yum(yum osada)

GFortranとCo-array Fortran

Last updated at Posted at 2022-02-03

ソースコードは https://github.com/osada-yum/examples/tree/main/GFortran_and_Co-array_Fortran に.

Co-array Fortran

Co-array Fortran はFortranの言語仕様の一部に組込まれているが, gfortran のみでは使えない. この記事はCo-arrayで書かれたプログラムを gfortran により実行するためのメモである.

  • Ubuntu20.04では apt を使う方法とソースからビルドする方法がある. apt を使う方法はインストールが楽だがコンパイルが面倒.
  • ソースからビルドするとラッパースクリプトの caf と cafrun が手に入るためコンパイルは楽になる.
  • (2022/03/06(日)追記) どうも, Ubuntu18.04では apt に open-coarrays-bin があり, その中に caf と cafrun が入っている. Ubuntu20.04にはそのパッケージがない.
    https://fortran66.hatenablog.com/entry/2018/09/28/220201
    https://qiita.com/cure_honey/items/6ef209405d77bcabf70d

最初に失敗話

私のPCでは最初にCo-array Fortranを使っても高速化しなかった. おそらく, gfortran や mpirun などのPATHがめちゃくちゃだったせい.(再現ができないので原因が分からない…) 環境の整理をしたら直った.
(どうやら, 実行ファイルを生成したmpiのバージョンと mpirun するmpiのバージョンが違うと高速化しないらしい? 高速化しないのならば ldd a.out で動的リンクライブラリのパスを確認した方がよいのかもしれない. 2022/02/07(月)追記)

実行環境

  • Ubuntu20.04
  • Ubuntu20.04 on VirtualBox6.1.14
$ echo ${PATH} | sed -s "s=${HOME}=~=g"
~/.nvm/versions/node/v16.3.0/bin:~/.cabal/bin:/usr/local/gcc-11.2.0/bin:/opt/bin/:~/.local/bin:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/bin

$ which gfortran
/usr/local/gcc-11.2.0/bin/gfortran

$ gfortran --version
GNU Fortran (GCC) 11.2.0
Copyright (C) 2021 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

$ which mpirun
/usr/local/gcc-11.2.0/bin/mpirun

$ mpirun --version

mpirun (Open MPI) 4.1.2
    
Report bugs to http://www.open-mpi.org/community/help/

gfortranでCo-array Fortranを使う方法

Co-array Fortranのコンパイルのテスト用ファイル.

coarrays_test.f90
program coarrays_test
  implicit none
  integer :: my_image, n_images
  my_image = this_image()
  n_images = num_images()
  print*, "I'm ", my_image, "/", n_images
end program coarrays_test

apt を使う方法

まずは apt で検索をかけてみる.

$ apt search coarrays
    ソート中...
    全文検索...
    libcaf-mpich-3/focal 2.8.0-1 amd64
      Co-Array Fortran libraries  (MPICH)
    
    libcaf-openmpi-3/focal,now 2.8.0-1 amd64 [インストール済み、自動]
      Co-Array Fortran libraries  (OpenMPI)
    
    libcoarrays-dev/focal,now 2.8.0-1 amd64 [インストール済み]
      Co-Array Fortran libraries
    
    libcoarrays-mpich-dev/focal 2.8.0-1 amd64
      Co-Array Fortran libraries for - development files (MPICH)
    
    libcoarrays-openmpi-dev/focal,now 2.8.0-1 amd64 [インストール済み]
      Co-Array Fortran libraries  - development files (OpenMPI)

mpich と openmpi がある. openmpi を使うならば.

$ sudo apt install -y libcoarrays-openmpi-dev

実行するには必要なライブラリをリンクする必要があるが, pkg-config を使えば良い. インストールされた .pc ファイルを検索すると

$ dpkg -L libcoarrays-openmpi-dev | grep -e '\.pc$'
    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/pkgconfig/caf-openmpi.pc
    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/open-coarrays/openmpi/pkgconfig/caf-openmpi.pc
    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/open-coarrays/openmpi/pkgconfig/caf.pc

OpenMPIを使う場合は, caf-openmpi.pc を利用する.

$ gfortran -o coarrays_test.out -fcoarray=lib coarrays_test.f90 $(pkg-config --libs --cflags caf-openmpi)
$ mpirun -np 2 ./coarrays_test.out
    I'm            1 /           2
    I'm            2 /           2

おそらく, -lcaf_openmpi だけで十分.

$ gfortran -o coarrays_test.out -fcoarray=lib coarrays_test.f90 -lcaf_openmpi
$ mpirun -np 2 ./coarrays_test.out
    I'm            1 /           2
    I'm            2 /           2

ソースからビルドする方法

http://www.opencoarrays.org/ の https://github.com/sourceryinstitute/OpenCoarrays/tree/master からソースコードをクローンする.

$ git clone https://github.com/sourceryinstitute/OpenCoarrays.git
$ cd OpenCoarrays/

cmakeを使ってビルドとインストールをする.

$ FC=/usr/local/gcc-11.2.0/bin/gfortran cmake -B _build -DBUILD_TYPE=Release -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local/gcc-11.2.0
$ cmake --build _build
$ cmake --build _build --target install

これでラッパースクリプトの caf と cafrun が /usr/local/gcc-11.2.0 にインストールされる. FC や PREFIX を変えれば好きな場所にインストールできる. caf が何をラップしているかを知るためには

$ caf -w
    caf wraps /usr/local/gcc-11.2.0/bin/gfortran-11.2.0

caf のversionを知るためには

$ caf -v
    OpenCoarrays Coarray Fortran Compiler Wrapper (caf version 2.9.2-13-g235167d)
    Copyright (C) 2015-2020 Sourcery Institute
    Copyright (C) 2015-2020 Sourcery, Inc.
    
    OpenCoarrays comes with NO WARRANTY, to the extent permitted by law.
    You may redistribute copies of OpenCoarrays under the terms of the
    BSD 3-Clause License.  For more information about these matters, see
    the file named LICENSE that is distributed with OpenCoarrays.

を実行すればよい.

$ caf -o coarrays_test_caf.out coarrays_test.f90
$ cafrun -np 2 ./coarrays_test_caf.out
    I'm            1 /           2
    I'm            2 /           2

実行

ソースコードはNAGのチュートリアルからダウンロード https://www.nag-j.co.jp/fortran/coarray/coarrayTutorial_3.html.

$ [ -f quad1.f90 ]    || wget https://www.nag-j.co.jp/fortran/coarray/code/quad1.f90
$ [ -f coquad1.f90 ]  || wget https://www.nag-j.co.jp/fortran/coarray/code/coquad1.f90
$ [ -f coarrays.f90 ] || wget https://www.nag-j.co.jp/fortran/coarray/code/coarrays.f90
$ gfortran -fcoarray=lib -o coarrays.out quad1.f90 coquad1.f90 coarrays.f90 -lcaf_openmpi
$ caf -o coarrays_caf.out quad1.f90 coquad1.f90 coarrays.f90

apt から

$ mpirun -np 1 ./coarrays.out
    Calculated value:     0.90000000000031166
    True value (approx):  0.90000000000000002
    Relative error   3.4626622556920158E-013
    Time taken 9.620 seconds by 1 images, = 9.62 computing power

$ mpirun -np 4 ./coarrays.out
    Calculated value:     0.90000000000022018
    True value (approx):  0.90000000000000002
    Relative error   2.4461913975907617E-013
    Time taken 2.742 seconds by 4 images, = 10.97 computing power

caf

$ cafrun -np 1 ./coarrays_caf.out
    Calculated value:     0.90000000000031166
    True value (approx):  0.90000000000000002
    Relative error   3.4626622556920158E-013
    Time taken 9.626 seconds by 1 images, = 9.63 computing power

$ cafrun -np 4 ./coarrays_caf.out
    Calculated value:     0.90000000000022018
    True value (approx):  0.90000000000000002
    Relative error   2.4461913975907617E-013
    Time taken 2.644 seconds by 4 images, = 10.58 computing power

速度の比較

  • aptから
time speedup
mpirun -np 1 9.620 1
mpirun -np 4 2.742 3.5083880
  • caf
time speedup
cafrun -np 1 9.626 1
cafrun -np 4 2.644 3.6406959

結論

どちらの方法でも速度は大して変わらない. おおよそコア数分のスピードアップをしている.

ビルドの手間とコンパイルの手間を天秤にかけると, コンパイルが楽な caf を使った方が良いだろう.

参考

  • OpenCoarrays

  • NAGのチュートリアル

  • Ubuntu18.04

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