Javaによる数値計算 高速化

質問

大きな2次元配列を使った数値計算を実施しています。

これまではFortranをメインで使用していましたが、モデルへの機能追加などが容易なことから
オブジェクト指向言語に取り組み、ようやくJavaに移植が完了しました。

事前に調べた所では、Fortran、C++、Javaいずれも速度に大きな差は無いとありました。
（そもそもこれは本当でしょうか？）
1～2割程度遅いのなら許容出来るつもりでしたが、いざ実行してみると、
Fortranで3ステップ進む時にJavaでようやく1ステップ進むといった感じで、少々困っております。
⇒　そんなことあり得ないということであれば、自分のプログラムのバグを疑いますが。ただ、計算結果は概ね良好のようです。

それで、気になったのが、Fortranでは、コンパイル時に最適化してくれるのですが、
今調べたところJavaにはそれがないようです。
言われてみると、Fortranで最適化オプションを実施しなかった時にはこのくらいの遅さだったように思えます。

それで、前置きが長くなりましたが、Javaで最適化あるいは高速化する方法は無いのでしょうか？

プログラミング自体が専門ではないので、できれば人間に分かりやすいコーディングのまま使いたいのですが。
初心者が陥りがちなところで、これを直せば、だいぶ速くなるというような一般的な注意事項などありましたら教えていただきたく存じます。

回答No.3

nda23 · ベストアンサー

補足します。

先ず、ゲッタ/セッタを使う方法とpublicの
相違ですが、変数の参照を例にすると、
ゲッタの場合はCALL→MOV→RET→MOVと
いう命令になります。CALLやRETは次の
命令の集合です。ADDまたはSUB→MOV
→JMP
つまり、ゲッタでは8ステップの行動になり
ます。一方publicのメンバを扱うと、MOVが
1回でこと足ります。どちらが有利かは一目で
分かると思います。

メンバを扱う時はクラスのアドレスをベース
レジスタにロードしてから、ベース+オフセットと
いう方法でアクセスします。レジスタの個数は
限られているので、メンバのまたメンバという
ネストを深くすると、ベースへのロードが何度も
繰り返されてしまいます。よく使うオブジェクトを
固定すれば、ベースの入れ替え回数が減って
その分だけ有利になります。

計算を一気にやるのは中間結果をレジスタに
置くためです。レジスタはCPU資源なので、
メモリよりずっと処理速度が速くなっています。
中間結果を変数に入れていると、レジスタから
メモリ(変数)へのMOVが発生しますから速度は
劣化します。

インスタンスの生成/消滅はメモリ資源の管理に
影響しますから、ものすごく時間がかかります。
マルチスレッド下ではメモリ資源の干渉が起きない
ように制御しますから、以外に面倒な処理です。
ランタイムは時々、空きメモリを詰める操作を
行います。これをガベジコレクション(GC)と言います。
これにあたるとガクっと処理時間が遅くなります。
Stringなどの処理も頻発すると、GCが発生します。
StringとかIntegerはオブジェクトであり、安直に
使用すると、そのつもりが無くてもインスタンスの
生成/消滅を発生させます。

いずれも「分かり易さ」からはかけ離れた方向に
なりますが、コンピュータ側に立って考えると、
「人間寄り」は迷惑な話なんです。

回答No.2

nda23

1.計算に使うデータは可能な限り整数を使う。
2.メンバをゲッタ、セッタではなく、publicにして
　参照する。
3.メンバ参照時、ネストが深い場合は別変数を
　使う。
　A.B.C.D = A.B.C.X + A.B.C.Y;
→Q = A.B.C;
　Q.D = Q.X + Q.Y;
4.静的(static)変数の使用は極力避ける。
5.計算はなるべく一気に行う。
　a = b + c;
　x = a * d;
→x = ( b + c ) * d;
6.インスタンスの生成/消滅は極力回数を減らす。

上記を実施しても速くなるかどうかは分かりません。
Javaはネイティブコードではないので、C等に比べ
速度が遅いのは止むを得ないところです。
ただ、CPUの性能向上により、通常の処理では
ストレスが少なくなりました。
私は機械語を長くやってきているので、2や3に
反するコーディングを見ると神経に障りますが、
ゲッタ/セッタはJavaではフツーなので目を瞑る
ことにしています。

補足

ご回答ありがとうございました。

なるほど。参考になります。
教科書では、なるべく変数はprivateにして、アクセス関数でアクセスするように書かれていますが、
プログラムの安全性と速度はトレードオフになっているということでしょうか。

また、static変数は使わないほうが良いのですか？

回答No.1

ki073

私自身はJavaを使っていないので、一般的な話として書きます。
質問欄に書かれているようにFortranやCの場合は行列計算などを最適化してくれます。
コンパイラの性能によるのですが、プログラムに書いた通りではなく、最適化によりベクトル化や並列化が可能ですので、さらに1桁から2桁程度速度があがります。

もしJavaとFortranの最適化されていないものが同程度の速度がでるのなら、Javaがかなり優秀なのだと思いますが、どうなのでしょうか？この手の言語はベクトル化や並列化は基本的には行われませんので、どうしても不利になりますし、仮想マシンを使いますのでそのオーバーヘッドがどうしても大きくなります。

解決方法ですが、行列やベクトル（上記のベクトル化とは違い数学ででてくるベクトル）のライブラリを使うのが良いように思います。
例えば
http://www.oishi.info.waseda.ac.jp/~oishi/LINKS/java-numerics.html
を参考に。

Fortranで書かれたサブルーチンがあるのでしたら、Javaから呼び出す方法もあります。これだと速度低下はほとんどありません。
swig
http://www.swig.org/doc.html
などを使うこともできます。

私自身はRubyで数値演算をやっています。
narrayという行列計算ライブラリを使っていますが、最適化されていないFortranに比べて1桁程度遅くなります。プログラム作成の効率を考えると、普通はこの程度の速度がでれば十分です。ときどき速度が足りなときがあるのですが、その場合はCかFortranでボトルネックになる部分だけ（10～20行程度）書き、swigでライブラリ化しています。そのような必要があるときは、並列化かGPUを使う場合がほとんどですのでかなりの高速化を行っています。

補足

ご回答ありがとうございました。
定量的に比較してみました所、Fortranでデフォルトの最適化の場合で約10倍、最適化無しの場合でも２～３倍の速度差が有りました。

ライブラリや外部プログラムを使うのも手段ですが、その前にもう少し何とかならないかなと思いますので、もう少しトライしてみます。