Разработка системной поддержки вызова программ,реализованных на языке Fortran, из среды Java (стр. 3 из 3)

На языке Java реализуется класс, который занимается записью и чтением данных из общей для Fortran среды и Java оболочки памяти. При этом при записи выполняется преобразование данных из формата языка Java в формат языка Fortran, а при чтении выполняется преобразование данных из формата языка Fortran в формат языка Java, как это описано в пункте 2.

5.1 Накладные расходы

В предложенной реализации накладные расходы возникают при вызове метода инициализации прямых Java буферов, но эти накладные расходы возникают только один раз за все время работы программы, поэтому время, которое на них тратится, не существенно влияет на общую производительность программного продукта.

Накладные расходы возникают при преобразовании данных из формата языка Java формат языка Fortran. Однако полное преобразование данных из одного формата в другой есть необходимость выполнять только дважды за работу всего приложения: в начале, после инициализации, и в конце, перед тем, как вывести окончательный результат работы приложения. Следовательно, эти накладные расходы тоже считаются разовыми и не существенно влияют на время выполнения программного продукта.

Однако возникают еще накладные расходы, когда данные обрабатываются не только в Fortran-подпрограммах, но и в основной программе, написанной на языке Java. В этом случае при каждом переключении есть необходимость преобразовать данные из одного формата в другой. Но, как правило, объем данных, обрабатываемый сразу и в Java-коде и в коде, реализованном на языке Fortran, не очень велик. Следовательно, не следует преобразовывать сразу все данные, которые рассчитываются в приложении, а нужно преобразовать только тот их фрагмент, который нужен для обработки. Такой подход позволит сократить накладные расходы на преобразование данных. Именно эти накладные расходы следует учитывать при оценке времени работы программного приложения.

5.2 Пример

Чтобы убедиться в корректности работы реализации, была взята программа расчета динамики взрыва сверх новой звезды, реализованная на языке Fortran. [7]. Основная функция main, которая управляет расчетами, была переписана на язык Java. Остальные подпрограммы оставлены на языке Fortran.

Результаты работы исходной программы, реализованной только на языке Fortran, и программы, основная часть которой реализована на языке Java, а подпрограммы выполнены на языке Fortran, одинаковые.

Для сравнения времени работы полученного приложения, реализованного на языке Java с использованием Fortran-подпрограмм, было произведено сравнение с точно таким же приложением, но реализованным целиком на языке Fortran и на языке Java. Приложение можно представить в виде следующей схемы, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема приложения.

В приложении, реализованном на языках Java+Fortran, инициализация данных и запись данных в файлы выполняется в Java-окружении, а счет выполняется в Fortran-среде.

Для сравнения времени выполнения были выполнены замеры, как скорости работы всего программного приложения, так и отдельных его частей, в соответствии с рисунком 1. Замеры проводились на персональном компьютере. Размер оперативной памяти 512 MB, частота процессора 1700 MHz. Характеристики кэш-памяти процессора следующие:

CPU L1 Cache: 64K (64 byte/line), CPU L2 Cache: 526K (64 byte/line)

Сравнение времени работы представлено в таблице 3 и на рисунке 2.

Таблица 3. Сравнительная производительность.

полное приложение (ms)	инициализация (ms)	счет (ms)	запись (ms)
Fortran	261559	42826	218450	283
Java + Fortran	266223	43540	221623	1060
Java	337225	69874	265727	1624

(а)

(б)

(в)

(г)

Рисунок 2. Время выполнения.

Как видно из таблицы 3 и на рисунке 2(а), реализация приложения на языках Java+Fortran не значительно проигрывает по времени выполнения приложению, реализованному только на языке Fortran. Это достигается за счет того, что в приложении, реализованном на Java+Fortran, вычисления полностью выполняются в Fortran-среде.

Однако приложение, реализованное на языках Java+Fortran, работает значительно быстрее, нежели приложение, реализованное на языке Java. Как видно на рисунке 2(б), 2(в), 2(г), в приложении, реализованном только на языке Java, не только вычисление занимает больше времени, нежели в приложении, реализованном на языках Java+Fortran, но и инициализация и запись данных в файл. Потеря времени происходит за счет того, что большая часть инициируемых данных берется из файла. В приложении, реализованном только на языке Java, данные из файла записываются в массивы языка Java, а в приложении, реализованном на языках Java+Fortran, - в прямые буферы.

6. Некоторые ограничения реализации приложения пользователя

Fortran-подпрограммы, которые вызываются из Java-среды, не должны содержать символа "подчеркивание" в своем имени. В противном случае разделяемая библиотека не сможет сопоставить реализованные в ней методы с теми, которые вызываются. Это вызовет падение работы всего приложения.

Компилятор GNU g77, разрешает использование переменных без их явного описания. Однако, если явно не определить тип переменной в подпрограмме, которая вызывается из Java-окружения, вероятен случай, что виртуальная Java-машина получит внешний сигнал. Этот сигнал, номер которого 11, сообщает виртуальной машине о некорректном обращении к памяти за пределами ее работы. Аналогичная ситуация может возникнуть и с функциями. При описании функций стандартом предусмотрено описывать явно тип возвращаемого значения. Однако, если этого не сделать, то компилятор сам подберет соответствующий тип, исходя из типа возвращаемого выражения. Если такую функцию вызывать из программы, реализованной только на языке Fortran, то все будет работать стабильно. Но как только объектный модуль с такой функцией участвует в формировании разделяемой библиотеки и подобного рода функция вызывается подпрограммой, которая, в свою очередь, вызывается виртуальной машиной Java, выполнение основной программы прекращается по причине получения виртуальной Java-машиной сигнала номер 11.

Данные ограничения в дальнейшем развитии работы будут сняты посредством автоматического добавления в код Fortran-программы недостающих описаний.

Заключение

Разработана организация взаимодействия среды Java и подпрограмм, реализованных на языке Fortran. Была выполнена прототипная реализация. Прототипная реализация показала, что описанная методика вызова подпрограмм, реализованных на языке Fortran, из окружения Java, реализуется с минимальными накладными расходами, а, следовательно, эффективно.

Дальнейшее развитие предполагает разработку методики рефакторинга Fortran-программ с целью преобразования их в такой вид, какой было бы удобно автоматически транслировать на язык Java.

Список литературы

Б.Керниган, Д.Ритчи. Язык программирования Си. Санкт-Петербург, 2001

Фортран 77 ЕС ЭВМ. Справочное издание. Москва "Финансы и статистика", 1989

Фортран. Программированное учебное пособие. Киев "Вища школа", 1980

У.Савитч. Язык Java. Курс программирования. Москва - Санкт-Петербург - Киев "Вильямс", 2002

Ю.И. Рыжиков. Совремнный фортран. Санкт-Петербург "Корона принт", 2004

Артур Гриффитс. GCC. Полное руководство. Москва - Санкт-Петербург - Киев DiaSoft, 2004

С. Д. Устюгов, В. М. Чечеткин. Взрыв сверхновой при крупномасштабной конвективной неустойчивости вращающейся протонейтронной звезды. //

Астрономический журнал, 1999, том 76, №11, с. 816-824.