Описание практической части

Прототипная реализация выполнена посредством связывания вызова подпрограммы, реализованной на языке Fortran, из Java-программы через язык С (JNI). В настоящее время окружение Java не предоставляет возможности вызывать напрямую подпрограммы, реализованные на языке Fortran.

Реализация выполнена для GNU компилятора Fortran (g77), GNU компилятора С (gcc) версии 3.3.4 и JDK версии 1.4.2_03.

Компилятор g77 основан на стандарте ANSI Fortran 77, но он включает в себя многие особенности, определенные в стандартах Fotran 90 и Fortran 95 [6].

JDK версии 1.4.2_03 содержит пакет java.nio, который предоставляет возможность использования новых средств ввода-вывода, таких, как прямые буферы и JNI (Java Native Interface).

Как уже отмечалось в пункте 2, прежде чем выполнить вызов подпрограммы, реализованной на языке Fortran, из Java среды, необходимо выделить область памяти, которая была бы доступна как из Java окружения, так и из среды Fortran.

Для этого нужно:

На языке Fortran реализовать подпрограмму. В этой подпрограмме должны быть объявлены все общие блоки, которые будут использоваться для обмена данными Fortran-среды с Java окружением.

На языке С должен быть реализован модуль, который через разделяемую библиотеку посредством JNI будет вызываться из Java-среды. Модуль должен содержать функцию, которая вызывается из среды Fortran. Данной функции в качестве параметров по ссылке из Fortran-среды передается адрес первого, адрес последнего элемента и размер в байтах последнего элемента общего блока. По полученным данным вычисляются и сохраняются начало и размер общего блока. Такая функция вызывается для каждого общего блока. Некоторая функция вычисляет и сохраняет размер общего блока, а так же сохраняет адрес начала общего блока. Теперь во встроенном модуле, реализованном на языке С, хранятся адреса и размеры всех общих блоков, которые определены в подпрограмме, реализованной на языке Fortran. Следовательно, запросив по указанному адресу прямой буфер нужного размера, будет получено размещение нового байт буфера Java-среды в том же участке памяти, что и соответствующий ему общий блок.

На языке Java реализуется класс, который содержит метод инициализации и метод получения прямого байт буфера. Метод инициализации вызывает встроенный метод инициализации, реализованный на языке С в описанном в пункте 2 модуле. Встроенный метод инициализации вызывает Fortran-подпрограмму, описанную в пункте 1. Метод получения прямого байт-буфера вызывает встроенный С-метод, который заказывает в оперативной памяти прямой буфер нужного размера, начиная с указанного адреса. Дальше полученный прямой байт буфер уже сам пользователь может представлять как буфер тех данных, которые ему нужны.

Байт-буферы расположены непосредственно в том же участке памяти, что соответствующие им общие блоки, следовательно, все данные, которые записываются в прямой буфер в Java-коде, автоматически становятся доступными из общего блока в коде, реализованном на языке Fortran. И наоборот: все, что помещено в общий блок в Fortran-подпрограмме, автоматически становится доступно из прямого буфера в Java-программе. Такое расположение данных полностью решает поставленную в пункте 1 задачу о совместном размещении данных Java окружения и среды Fortran на одном участке памяти.

Чтобы выполнить вызов Fortran-подпрограммы из Java-среды, нужно:

В Java среде расположить параметры для передачи в среду Fortran на прямом буфере. Этот прямой буфер передается в качестве параметра вспомогательным С-функциям, которые описаны в пункте 2. Так же в качестве параметра передается смещение в буфере, по которому расположены передаваемые параметры.

На языке С реализовать встраиваемый через JNI в Java-окружение модуль. В этом модуле реализуются вспомогательные функции для каждой вызываемой Fortran-подпрограммы из Java окружения. Каждая такая вспомогательная функция вызывается из Java-программы. Одним из ее действий является непосредственный вызов Fortran-подпрограммы. Также вспомогательная функция выполняет передачу параметров из Java окружения в среду Fortran, как это описано в пункте 2. То есть вспомогательная функция получает адрес буфера, вычисляет адреса параметров, зная смещения их расположения в буфере, и передает вычисленные адреса Fortran-подпрограмме.

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.

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.

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.

(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.