Ubuntu Fortran如何进行数值模拟

Ubuntu 下使用 Fortran 开展数值模拟的实用流程

一、环境准备与基础工具

• 安装编译器与基础运行库：sudo apt update & & sudo apt install gfortran libfortran-dev。验证：gfortran --version。
• 常用数值库（按需安装）：
  • 线性代数：libblas-dev、liblapack-dev；
  • 快速傅里叶：libfftw3-dev；
  • 大规模并行求解器：petsc-dev、trilinos-dev。
• 并行栈（如需 MPI）：sudo apt install mpich。
• 可选 IDE：VS Code 安装 Fortran 插件（如 Fortran Language Server）提升开发效率。

二、从零开始的“Hello World + LAPACK”示例

• 程序功能：调用 LAPACK 的 DGESV 求解线性方程组 Ax = b。
• 代码示例（保存为 linear_solver.f90）：

program linear_solver
  use, intrinsic :: iso_fortran_env, only: wp =>
     real64
  implicit none
  real(wp) :: A(3,3), B(3), X(3)
  integer :: ipiv(3), info

  A = reshape([3.0, 1.0, 1.0, &
    
               2.0, 3.0, 1.0, &
    
               1.0, 2.0, 3.0], [3,3])
  B = [9.0, 12.0, 15.0]

  call dgesv(3, 1, A, 3, ipiv, B, 3, info)

  if (info == 0) then
     X = B
     print *, "Solution X: ", X
  else
     print *, "LAPACK solve failed, info = ", info
  end if
end program linear_solver

• 编译与运行：gfortran -O3 -o solver linear_solver.f90 -llapack -lblas & & ./solver。

三、构建现有 Fortran 数值模型

• 串行模型：进入源码目录，按项目提供的 Makefile 执行 make（或 make all）。
• 并行模型（MPI）：
  • 使用 GNU 栈：将 Makefile 中的编译器设置为 FC = mpif90，按需添加 -O3 等优化；
  • 使用 Intel 栈：将 F90_MPI = mpiifort，并用 ifort 系列的环境脚本初始化（如 ifortvars.sh）。
• 示例一（NHWAVE 非静压波浪模型）：安装 MPICH 与 HYPRE，在 Makefile 中设置 FC=mpif90，并按需开启宏（如 -DPARALLEL、-DSALINITY、-DTEMPERATURE），随后 make 生成可执行文件。
• 示例二（SWASH 波浪模型）：执行 make config 生成 machine-dependent 配置，随后按需执行 make ser（串行）、make omp（OpenMP）、make mpi（MPI）；若用 Intel 编译器，可将 F90_MPI 改为 mpiifort 后编译。

四、性能优化与调试

• 优化与浮点控制：编译选项常用 -O3；如需严格 IEEE 浮点行为，可结合 -ffpe-summary=‘none’ 等抑制特定浮点异常提示（仅在确认安全时使用）。
• 调试：编译时加入 -g，使用 gdb 进行断点、单步与变量检查。
• 并行效率：MPI 程序建议使用合适的进程数与网格分解；OpenMP 程序使用 -qopenmp（Intel）或 -fopenmp（GCC）并控制线程绑定。
• 库路径与多版本管理：若库在非标准路径，编译时用 -L/path/to/lib -lxxx；运行前执行 sudo ldconfig 刷新缓存；多版本 gfortran 可用 update-alternatives --config gfortran 切换。

五、常见问题与排查

• 找不到库（cannot find -lxxx）：确认已安装对应的 -dev 包，或在编译时显式指定 -L 路径；必要时执行 sudo ldconfig。
• 并行运行失败：确保用 mpirun/mpiexec 启动且与编译时 MPI 实现一致（如 MPICH 与 Intel MPI 不可混用）。
• 精度与稳定性：在程序中使用 real64（或 selected_real_kind）统一精度；对病态问题考虑预处理或改用稳健求解器。
• 第三方库编译：若 APT 无合适版本，下载源码后 ./configure --prefix=安装路径，再 make & & sudo make install，并更新 LD_LIBRARY_PATH 与 PATH。

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