Fortran 2008：如何返回函数返回值？

Question

在现代 Fortran 中是否可以从函数返回一个数组，其性能等同于让子例程填充作为参数传递的数组？

考虑例如举个简单的例子

PROGRAM PRETURN 

  INTEGER :: C(5)
  C = FUNC()
  WRITE(*,*) C
  CALL SUB(C)
  WRITE(*,*) C

CONTAINS 

  FUNCTION FUNC() RESULT(X)
    INTEGER :: X(5)
    X = [1,2,3,4,5]
  END FUNCTION FUNC

  SUBROUTINE SUB(X)
    INTEGER :: X(5)
    X = [1,2,3,4,5]
  END SUBROUTINE SUB

END PROGRAM PRETURN

这里C = FUNC() 行将复制函数返回值中的值，然后从堆栈中丢弃返回的数组。子例程版本CALL SUB(C) 将直接填充C，避免了与临时数组相关的额外处理步骤和内存使用——但在SUM(FUNC()) 这样的表达式中使用是不可能的。

但是，如果编译器实现选择在堆上分配所有数组，则可以简单地通过更改 C 的底层指针来分配返回值，从而在两个版本之间获得相同的性能。*

这些优化是由常见的编译器进行的，还是有其他方法可以在没有性能开销的情况下获得函数语义？

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* 使用可分配数组会更明显，但这会遇到编译器支持问题。默认情况下，英特尔 fortran 不会在分配不同大小的数组时（重新）分配数组，但通过使用 ALLOCATE(C, SOURCE=FUNC()) 语句可以实现相同的效果。同时，Gfortran 会在分配时自动分配，但有一个错误会阻止 ALLOCATE 语句，其中形状是从 SOURCE 参数派生的，并且该修复尚未包含在二进制版本中。

Answer 1

Fortran 标准对用该语言实现几乎所有内容的实际机制保持沉默。该语言的语义是在赋值开始之前对函数结果进行完全评估。如果将目标作为输出传递，那么如果函数由于某种原因没有完成，则变量可能会被部分修改。编译器可能能够进行足够的重叠分析来对此进行一些优化。我很确定英特尔 Fortran 不会这样做 - 语义限制很重要。

您的示例是一个玩具程序 - 更有趣的问题是是否存在这样的优化适用且值得的生产应用程序。

我将评论英特尔 Fortran 将更改其分配给可分配数组的默认行为，以便从版本 17 开始，将按照标准的规定进行自动重新分配。

Answer 2

我有时也有同样的情况。当我停下来想一想时，我意识到在 fortran 中函数很好，子程序也很好。

想象一下，能力存在，我们有以下功能：

function doThings(param) results(thing)
    integer :: thing
    integer, intent(in out) :: param
    ! Local variables
    integer :: genialUpdatedValue, onOfThePreviousResult
    ! some other declarations
    ! serious computation to do things
    ! and compute genialUpdatedValue and onOfThePreviousResult
    param = genialUpdatedValue
    thing = onOfThePreviousResult
end function doThings

我们有以下调用：

! some variables first
integer, parameter :: N_THINGS = 50 ! just love 50
integer :: myThing, myParam
integer, dimension(N_THINGS) :: moreThings
!
! Reading initial param from somewhere
! myParam now has a value
!
myThing = doThings(myParam)

肯定没问题，下面呢

!
! Reading initial param from somewhere
! myParam now has a value
!
moreThing = doThings(myParam)

结果会是什么？会不会

integer :: i
do i = 1, N_THINGS
    moreThings(i) = doThings(myParam)
end do

还是这个

integer :: i, thing
thing = doThings(myParam)
do i = 1, N_THINGS
    moreThings(i) = thing
end do

请记住，myParam 会被函数更改。有人可能会说这是一个简单的案例，但可以想象结果不是整数，而是具有大数组成员的用户定义类型。

如果你仔细想想，你肯定会发现一些类似的问题。当然，可以在这里和那里添加更多限制以允许该功能，最终，当我们有足够的需求时，它将在必要的限制下实施。我希望这会有所帮助。