NumPyとF2PYで科学計算をレベルアップ：PythonからFortranコードを呼び出す

この解説では、NumPy の F2PY ユーザーガイドとリファレンスマニュアルに関連する「高度な F2PY ユースケース」のプログラミングについて、以下の項目に沿って分かりやすく解説します。

• F2PY の概要: F2PY の役割、機能、および利点
• NumPy と F2PY の連携: NumPy 配列と Fortran 配列の相互変換、Fortran 関数への Python からのアクセス
• 高度な F2PY ユースケース:
  • Fortran モジュールによる複雑なデータ構造の定義: 構造体、共用体、ポインタ、および配列を含むデータ構造の定義と Python からのアクセス
  • Fortran コードの並列化: OpenMP を用いた Fortran コードの並列化と Python からの制御
  • C 言語との連携: C 言語で記述された関数を Fortran モジュールから呼び出す
  • Fortran 2003 標準への対応: Fortran 2003 標準で導入された新しい機能の使用
• F2PY の制限事項: F2PY の機能制限と回避策
• 参考資料: F2PY に関する詳細情報と学習リソース

F2PY の概要

F2PY は、Fortran コードを Python モジュールに変換するためのオープンソースツールです。F2PY を使用することで、以下の利点が得られます。

• Fortran コードの Python からの呼び出し: Python スクリプトから Fortran で記述された関数やサブプログラムを呼び出すことができます。
• NumPy 配列との相互変換: Fortran 配列と NumPy 配列を相互に変換し、シームレスなデータ連携を実現できます。
• コードの効率化: Fortran は数値計算に特化した言語であり、Fortran で記述されたコードは Python で記述されたコードよりも高速に動作する可能性があります。

NumPy と F2PY の連携

F2PY を使用することで、NumPy 配列と Fortran 配列を相互に変換し、Fortran 関数を Python から呼び出すことができます。

1 NumPy 配列と Fortran 配列の相互変換

F2PY は、NumPy 配列と Fortran 配列を相互に変換するための機能を提供します。以下の例は、NumPy 配列を Fortran 関数に渡して結果を受け取る方法を示します。

import numpy as np

# Fortran 関数の宣言
def f(x):
  return x**2

# NumPy 配列の作成
x = np.array([1, 2, 3])

# Fortran 関数の呼び出し
y = f(x)

# 結果の確認
print(y)

この例では、f という Fortran 関数は、入力された配列の各要素を二乗して返します。NumPy 配列 x を f 関数に渡すと、結果として NumPy 配列 y が返されます。

2 Fortran 関数への Python からのアクセス

F2PY を使用することで、Fortran で記述された関数を Python から直接呼び出すことができます。以下の例は、Fortran モジュールに含まれる f 関数を Python から呼び出す方法を示します。

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('f2py_example.f90', modulename='f2py_example')

# Fortran 関数の呼び出し
result = f2py_example.f(1, 2)

# 結果の確認
print(result)

この例では、f2py_example.f90 という Fortran モジュールに含まれる f 関数を Python から呼び出しています。f2py.compile 関数を使用して Fortran モジュールを読み込み、f2py_example という名前の Python モジュールとして生成します。その後、f2py_example.f 関数を Python コードから呼び出すことができます。

高度な F2PY ユースケース

F2PY は、Fortran コードの Python からの呼び出しだけでなく、以下の高度なユースケースにも対応しています。

1 Fortran モジュールによる複雑なデータ構造の定義

For

NumPy の F2PY を用いた高度なユースケース：サンプルコード集

このサンプルコード集では、NumPy の F2PY ユーザーガイドとリファレンスマニュアルに関連する「高度な F2PY ユースケース」のプログラミングについて、以下の項目ごとにサンプルコードと解説を提供します。

Fortran モジュールによる複雑なデータ構造の定義

1 構造体

MODULE my_module

TYPE, PUBLIC :: my_struct
  REAL :: x
  INTEGER :: y
END TYPE my_struct

END MODULE my_module

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# 構造体の作成
struct = my_module.my_struct()

# 構造体のフィールドへのアクセス
struct.x = 1.0
struct.y = 2

# 構造体の出力
print(struct)

2 共用体

MODULE my_module

TYPE, PUBLIC :: my_union
  REAL :: x
  INTEGER :: y
END TYPE my_union

END MODULE my_module

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# 共用体の作成
union = my_module.my_union()

# 共用体のフィールドへのアクセス
union.x = 1.0
print(union.x)

union.y = 2
print(union.y)

3 ポインタ

MODULE my_module

INTEGER, POINTER :: p

END MODULE my_module

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# ポインタの割り当て
p = my_module.p()

# ポインタの参照
p = 10

# ポインタの解放
my_module.p_free(p)

4 配列

MODULE my_module

INTEGER, DIMENSION(10) :: a

END MODULE my_module

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# 配列へのアクセス
a = my_module.a

# 配列の要素へのアクセス
a[0] = 1
print(a[0])

# 配列のスライシング
b = a[1:5]
print(b)

Fortran コードの並列化

MODULE my_module

!$OMP PARALLEL
!$OMP DO
DO i = 1, 10
  a(i) = i**2
END DO
!$OMP END DO
!$OMP END PARALLEL

END MODULE my_module

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# 並列処理の実行
my_module.parallel_sum(a)

C 言語との連携

MODULE my_module

EXTERNAL c_function

END MODULE my_module

int c_function(int a, int b) {
  return a + b;
}

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f

NumPy の F2PY を用いた高度なユースケース：その他の方法

このページでは、NumPy の F2PY ユーザーガイドとリファレンスマニュアルに関連する「高度な F2PY ユースケース」のプログラミングについて、以下の項目について補足説明や代替方法を紹介します。

• Fortran モジュールによる複雑なデータ構造の定義:
  • オブジェクト指向プログラミング (OOP) の利用
  • Python 拡張モジュールの開発
• Fortran コードの並列化:
  • MPI を用いた並列化
  • Python の並列処理ライブラリの利用
• C 言語との連携:
  • Cython を用いた C 言語と Python の連携
• Fortran 2003 標準への対応:
  • Fortran 2003 標準の新しい機能の利用例
• F2PY の制限事項:
  • 回避策や代替方法

Fortran モジュールによる複雑なデータ構造の定義

1 オブジェクト指向プログラミング (OOP) の利用

Fortran 2003 標準では、オブジェクト指向プログラミング (OOP) の機能が提供されています。OOP を用いることで、より複雑なデータ構造を表現することができます。

MODULE my_module

TYPE, PUBLIC :: my_class

  PRIVATE

  REAL :: x
  INTEGER :: y

CONTAINS

  PROCEDURE, PUBLIC :: initialize => my_class_initialize
  PROCEDURE, PUBLIC :: finalize => my_class_finalize
  PROCEDURE, PUBLIC :: get_x => my_class_get_x
  PROCEDURE, PUBLIC :: set_x => my_class_set_x

END TYPE my_class

END MODULE my_module

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# オブジェクトの作成
obj = my_module.my_class()

# オブジェクトの属性へのアクセス
obj.x = 1.0
print(obj.x)

# オブジェクトのメソッドの呼び出し
obj.initialize()
obj.finalize()

2 Python 拡張モジュールの開発

F2PY を用いて、Python 拡張モジュールを開発することもできます。Python 拡張モジュールは、C 言語で記述されたコードを Python から呼び出すための仕組みです。

from distutils.core import setup
from distutils.extension import Extension

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# Python 拡張モジュールの設定
ext_module = Extension('my_module',
                      sources=['my_module.c'],
                      libraries=['my_module'])

# Python 拡張モジュールのビルド
setup(ext_modules=[ext_module])

Fortran コードの並列化

1 MPI を用いた並列化

MPI は、複数のコンピュータ上で並列処理を行うための標準的なライブラリです。MPI を用いることで、Fortran コードをより効率的に並列化することができます。

MODULE my_module

USE mpi

INTEGER, PARAMETER :: COMM_WORLD = MPI_COMM_WORLD

!$OMP PARALLEL
!$OMP DO
DO i = 1, 10
  a(i) = i**2
END DO
!$OMP END DO
!$OMP END PARALLEL

END MODULE my_module

from f2py import f2py

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90', modulename='my_module')

# MPI の初期化
mpi.init()

# 並列処理の実行
my_module.parallel_sum(a)

# MPI の終了
mpi.finalize()

2 Python の並列処理ライブラリの利用

Dask や Ray などの Python の並列処理ライブラリを用いて、Fortran コードを並列化することもできます。

import dask

# Fortran モジュールの読み込み
f2py.compile('my_module.f90',