科学计算中的F#性能

Question

我很好奇F#性能与C++性能相比如何？关于Java，我问了一个类似的问题，我得到的印象是Java不适合于繁重的数字运算。

我读到过F#应该具有更高的可伸缩性和更高的性能，但与C++相比，现实世界的性能又如何呢？有关目前执行情况的具体问题是：

• 它对浮点有多好？
• 它允许向量指令吗
• 它对优化编译器有多友好？
• 它有多大的记忆脚印？它允许对内存局部性进行细粒度控制吗？
• 它是否具有分布式内存处理器的能力，例如Cray？
• ，它有哪些特性可能对涉及重数处理的计算科学感兴趣？
• 是否有实际使用它的科学计算实现？

谢谢

Answer 1

• F#可以按照.NET CLR允许的速度进行浮点计算。与C#或其他.NET语言没有太大区别。
• F#本身不允许向量指令，但是如果您的CLR有一个API用于这些，F#应该不会有使用它的问题。例如，参见单声道。
• 据我所知，目前只有一个F#编译器，所以问题应该是“F#编译器在优化方面有多好？”在任何情况下，答案都是“可能与C#编译器一样好，目前可能会更糟”。请注意，F#在编译时对内联的支持与C#不同，这可能允许更高效的依赖泛型的代码。
• F#程序的内存脚印与其他.NET语言相似。您对分配和垃圾收集的控制量与其他.NET语言相同。
• 我不知道对分布式内存的支持。
• F#有非常好的处理平面数据结构的原语，例如数组和列表。例如，查看数组模块的内容: map、map2、mapi、iter、折叠、压缩.数组在科学计算中很流行，我猜是因为它们本身具有良好的内存局部性。
• 对于使用F#的科学计算包，您可能想看看Jon正在做什么。

Answer 2

我很好奇F#性能与C++性能相比如何？

根据应用程序的不同，差异很大。如果您在多线程程序中广泛使用复杂的数据结构，那么F#很可能是一个巨大的胜利。如果你的大部分时间花在紧凑的数字循环中，变异数组，那么C++可能会更快2-3×。

案例研究:射线追踪器，我的基准这里，使用一棵树进行分层剔除和数值射线球相交代码，以生成输出图像。这个基准已经有好几年的历史了，C++代码在过去的几年里已经改进了几十次，并且被成千上万的人阅读。微软的Don成功地编写了一个F#实现，它比用MSVC编译并使用OpenMP并行化的最快的C++代码要快一些。

我读到过F#应该具有更高的可伸缩性和更高的性能，但与C++相比，现实世界的性能又如何呢？

使用F#开发代码比使用C++更容易和更快，这适用于优化和维护。因此，当您开始优化一个程序时，如果您使用F#而不是C++，那么同样的工作量将带来更大的性能收益。然而，F#是一种更高级的语言，因此对性能设置了更低的上限.因此，如果您有无限的时间用于优化，理论上，您应该始终能够在C++中生成更快的代码。

当然，这与C++对Fortran和Fortran对手写汇编程序的好处完全相同。

案例研究: QR分解，这是由LAPACK等库提供的线性代数的一种基本数值方法。参考LAPACK实现是2,077行Fortran。我用80行代码编写了一个F#实现，实现了相同的性能水平。但是参考实现并不快:供应商调优的实现，比如Intel的Math (MKL)，通常要快10倍。值得注意的是，我成功地优化了我的F#代码，远远超出了英特尔硬件上运行的英特尔实现的性能，同时将我的代码保持在150行代码和完全通用代码(它可以处理单精度和双精度，甚至是符号矩阵！)：对于超薄矩阵，我的F#代码比Intel快3×10。

请注意，这个案例研究的寓意并不是您应该期望您的F#比供应商调优库更快，而是，即使是像英特尔这样的专家，如果只使用低级语言，也会错过高效的高级优化。我怀疑英特尔的数值优化专家未能充分利用并行性，因为他们的工具使其极其繁琐，而F#则使其变得轻而易举。

它对浮点有多好？

性能与ANSI相似，但一些功能(例如舍入模式)在.NET中不可用。

它允许向量指令吗

不是的。

它对优化编译器有多友好？

这个问题没有意义: F#是微软的专有.NET语言，只有一个编译器。

它有多大的记忆脚印？

一个空应用程序在这里使用1.3Mb。

它允许对内存局部性进行细粒度控制吗？

比大多数内存安全语言都好，但不如C语言好，例如，您可以通过将任意数据结构表示为"structs“来解压缩F#中的任意数据结构。

它是否具有分布式内存处理器的能力，例如Cray？

取决于你所说的“能力”是什么意思。如果您可以在这个Cray上运行.NET，那么您可以使用F#中的消息传递(就像下一种语言一样)，但是F#主要用于桌面多核x86机器。

在涉及重数处理的计算科学中，有哪些特性可能会引起人们的兴趣？

内存安全意味着您不会得到分段错误和访问冲突。.NET 4中对并行性的支持是很好的。在Visual 2010中通过F#交互式会话执行代码的能力对于交互式技术计算非常有用。

是否有实际使用它的科学计算实现？

我们的商业产品在F#中的科学计算已经有了数百个用户。

然而，您的提问线表明，您认为科学计算是高性能计算(例如Cray)，而不是交互式技术计算(例如MATLAB、Mathematica)。F#是为后者设计的。

Answer 3

除了其他人所说的，关于F#还有一点是很重要的，那就是并行性。普通F#代码的性能由CLR决定，尽管您可以从F#中使用LAPACK，或者可以使用C++/CLI作为项目的一部分进行本机调用。

然而，设计良好的功能程序更容易并行化，这意味着您可以通过使用多核CPU轻松地获得性能，如果您正在做一些科学的计算，这些CPU肯定对您是可用的。以下是几个相关链接：

• F#与任务并行库 (由Jurgen van Gael撰写的博客，他正在做机器学习的事情)
• 关于皮毛主义的另一个有趣的答案
• 使用F#中的并行LINQ的一个例子
• 我的书的第14章讨论了并行性(源代码是可用的)

关于分布式计算，您可以使用任何可用于.NET平台的分布式计算框架。有一个MPI.NET项目，它可以很好地与F#一起工作，但是您也可以使用DryadLINQ，这是一个MSR项目。

• 一些文章：用于F# .NET的MPI工具，与MPI.NET并发
• DryadLINQ项目主页