面试题：Fortran高效文件输入输出优化

性能瓶颈分析

磁盘I/O瓶颈：频繁的磁盘读写操作，特别是对于大文件，会因为磁盘的机械特性（如寻道时间、旋转延迟等）导致I/O性能低下。
内存管理瓶颈：如果每次读取特定行数的数据占用过多内存，可能导致内存不足或频繁的内存交换，降低系统性能。
数据处理瓶颈：复杂计算本身可能消耗大量时间，特别是如果计算没有进行有效的优化，如算法选择不当、没有利用并行计算等。

优化策略及代码示例

使用内存映射文件
- 原理：将文件直接映射到内存地址空间，这样对文件的读写就像操作内存一样，减少了传统I/O操作的开销。
- Fortran代码示例：

program memory_mapped_file
    use, intrinsic :: iso_c_binding
    implicit none

    type(c_ptr) :: file_ptr
    integer(c_int) :: ierr
    integer, parameter :: num_lines = 100! 每次读取的行数
    integer :: line_length = 100! 假设每行长度
    character(len=line_length) :: buffer(num_lines)
    integer :: i

   ! 打开文件并映射到内存
    call c_f_mmap(file_ptr, 'large_file.txt', num_lines * line_length, &
                   c_map_shared, c_access_readwrite, ierr)
    if (ierr.ne. 0) then
        print *, 'Error mapping file'
        stop
    end if

   ! 从内存映射区域读取数据
    call c_f_pointer(file_ptr, buffer)
    do i = 1, num_lines
        print *, buffer(i)
    end do

   ! 写回数据到内存映射区域（假设进行了一些计算）
    do i = 1, num_lines
        buffer(i) = 'Modified:'// buffer(i)
    end do

   ! 取消映射
    call c_f_munmap(file_ptr, num_lines * line_length, ierr)
    if (ierr.ne. 0) then
        print *, 'Error unmapping file'
        stop
    end if
end program memory_mapped_file

批量读写
- 原理：减少I/O操作的次数，一次读取或写入较大的数据块，而不是逐行操作。
- Fortran代码示例：

program batch_io
    implicit none
    integer, parameter :: num_lines = 100! 每次读取的行数
    integer :: line_length = 100! 假设每行长度
    character(len=line_length) :: buffer(num_lines)
    integer :: unit = 10
    integer :: i

   ! 打开文件
    open(unit = unit, file = 'large_file.txt', status = 'old', action ='readwrite')

   ! 批量读取
    do while (.not. eof(unit))
        read(unit, *, iostat = ierr) buffer
        if (ierr.ne. 0) exit
       ! 进行复杂计算
        do i = 1, num_lines
            buffer(i) = adjustl(buffer(i))
        end do
       ! 批量写回
        rewind(unit)
        write(unit, *) buffer
    end do

   ! 关闭文件
    close(unit)
end program batch_io

并行计算与I/O
- 原理：利用多核处理器的并行能力，将复杂计算部分并行化，同时优化I/O操作，减少整体执行时间。
- Fortran代码示例（使用OpenMP进行并行计算）：

program parallel_io_and_computation
    use omp_lib
    implicit none
    integer, parameter :: num_lines = 100! 每次读取的行数
    integer :: line_length = 100! 假设每行长度
    character(len=line_length) :: buffer(num_lines)
    integer :: unit = 10
    integer :: i

   ! 打开文件
    open(unit = unit, file = 'large_file.txt', status = 'old', action ='readwrite')

   ! 并行计算与I/O
    do while (.not. eof(unit))
        read(unit, *, iostat = ierr) buffer
        if (ierr.ne. 0) exit
       ! 并行计算
       !$omp parallel do
        do i = 1, num_lines
            buffer(i) = buffer(i) // ' (Processed in parallel)'
        end do
       !$omp end parallel do
       ! 写回
        rewind(unit)
        write(unit, *) buffer
    end do

   ! 关闭文件
    close(unit)
end program parallel_io_and_computation

面试题：Fortran高效文件输入输出优化

知识考点

面试题答案

性能瓶颈分析

优化策略及代码示例