FORTRAN中PURE关键字的正确使用方法

Question

我目前在学习Fortran，遇到了 pure 关键字，该关键字指定了没有副作用的函数/子程序。

我有一本书，作者是S Chapman，名为《Fortran 90/95》，介绍了 pure 关键字，但奇怪的是没有提供好的编码实践用例。

我在想，在过程中应该自由地使用这个关键字吗？仅在需要完全保证无副作用的程序中使用？还是在计划稍后转换为 elemental 程序的程序中使用？（因为 elemental 程序必须先是 pure。）

- River

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我尽可能经常使用“纯”的例程，这迫使我编写清晰的代码。然而，实际上只有少数例程可以是“纯”的...但我从未看到过任何关于速度等方面的差异。 - Alexander Vogt

不是Fortran 90/95，但请注意“elemental”过程可能是“impure”。 - francescalus

“只有少数”？在我看来，当编写正确时，大多数函数/子程序都将是“纯”的。据我从书中了解到，只有修改指定为“intent（in）”的变量或具有I/O组件的过程才不是“纯”的。对我来说，这似乎是少数而不是多数。 - River

很遗憾，一旦涉及到I/O操作，这就不再可能了。指针？不纯。C绑定？有些内在函数是纯的，有些则不是。甚至有些编译器版本下，某些内在函数也是不纯的...一旦一个例程不纯，所有调用它的例程也都不纯了 :( - Alexander Vogt

然而，许多小的程序可以很容易地避免指针或I/O的使用，当然这取决于写的是什么类型的程序。 您是说应该尽可能使用pure关键字吗？根据我查看的Fortran代码，这似乎不是标准使用方法。 - River

Answer 1

在某些情况下需要使用PURE，例如，在规范表达式内部调用的过程或从FORALL或DO CONCURRENT结构中调用的过程。在这些情况下需要使用PURE，以便为Fortran处理器提供过程调用顺序的灵活性，同时仍然能够从特定代码段得出相当确定的结果。

除了这些必需的情况外，是否使用PURE基本上是一个风格问题，这在某种程度上是主观的。

使用PURE也有一些代价（无法在过程内进行IO操作，不能调用不是PURE的过程）和好处（今天编写的纯过程可以在明天编写的需要纯过程的上下文中调用，因为PURE过程没有副作用，这样调用的含义可能更清晰），两者之间的权衡取决于具体情况。

标准可能给予Fortran处理器在评估表达式和函数引用内部的方法上相当大的自由度。它确实在某些方面限制了程序的功能，例如函数执行的副作用和函数参数的修改。对纯函数的要求与该自由度和这些约束一致，因此有些人采用大多数函数都是纯的风格。同样，这仍然可能取决于具体情况，在与外部API交互或C互操作性方面可能需要例外。

- IanH

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其他答案提供了关于使用pure的其他有用信息，应该查看更多关于如何让编译器通过乱序并行化进行优化的内容。 - River

@IanH 如果我定义了一个纯函数 f 并在表达式 x=f(a*b)+f(a*b) 中使用它，那么 f 总是被调用一次吗？似乎无法测试是否为真，因为这需要将某种副作用放入函数中。 - Raul Laasner

@RaulLaasner 不是的。f 可能被调用零次、一次或两次，这与 f 是否为纯函数无关。 - IanH

你可以通过创建一个长时间运行的纯函数来测试这个。根据仅有的一次这样的测试，很显然Intel Fortran不会将f(arg)+f(arg)优化为2*f(arg)，无论是否有pure声明。 - agentp

Answer 2

正如chw21所建议的那样，PURE 的主要动机是让编译器更好地进行优化。特别地，对于未被声明为PURE的函数将阻止由于未知副作用而进行的并行处理。请注意，PURE子程序（与函数不同）可能具有INTENT(INOUT)参数，但仍然存在副作用限制（并且PURE过程只能调用其他PURE过程）。

在Fortran 2003之前，ELEMENTAL过程隐含为PURE。Fortran 2008添加了一个IMPURE前缀，可用于与ELEMENTAL过程一起使用以禁用该方面。

- Steve Lionel

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你有任何可用的基准测试来证明“pure”语句实际上会通过编译器进行更好的优化吗？我只是好奇，我以前尝试过在gfortran或ifort中使用它，但没有看到任何好处。 - Alexander Vogt

如果我在一个非纯例程上放置“PURE”关键字，编译器将会抛出一个错误。显然，编译器可以自行确定这一点，因此人们可能会期望它这样做，并因此优化相同的代码。 - agentp

这些答案帮助我更好地理解pure关键字的好处，但我仍然想了解它通常如何使用。它应该尽可能使用吗？还是更类似于位操作、多线程和其他只有在速度非常重要的情况下才普遍存在的东西？ - River

@agentp 这假设编译器在编译对过程的引用时可以“看到”标记为PURE的过程的主体。这并不总是成立的-考虑外部或单独模块过程的分离编译的可能性。 - IanH