為什么選用python進(jìn)行科學(xué)計(jì)算

　　腳本語(yǔ)言已經(jīng)為很多科學(xué)計(jì)算器的構(gòu)建提供了很多強(qiáng)有力的工具，因?yàn)樗麄兲峁┝似渌忉屝驼Z(yǔ)言的接口。和很多用C，C++，F(xiàn)ortran，等編寫的軟件進(jìn)行集成，也可以為他們提供框架單元構(gòu)建。在這篇論文中，我主要描述腳本語(yǔ)言到科學(xué)計(jì)算工程中的進(jìn)程，我強(qiáng)調(diào)的是使用python在科學(xué)動(dòng)態(tài)研究中采用的大規(guī)模模塊動(dòng)態(tài)代碼，實(shí)驗(yàn)在在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。雖然這個(gè)應(yīng)用程序和天文數(shù)據(jù)分析，問(wèn)題，解決方案和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等不想關(guān)，但是可能感興趣的研究人員正在考慮在自己的項(xiàng)目中使用腳本語(yǔ)言。

　　1. 簡(jiǎn)介

　　作為科學(xué)的軟件開(kāi)發(fā)，最大的障礙之一是如何使科學(xué)軟件靈活，使用方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，易于適應(yīng)規(guī)模擴(kuò)大和復(fù)雜性增高的新問(wèn)題。當(dāng)然，是有很多原因希望這些高品質(zhì)，其中很重要的一點(diǎn)是，他們?cè)试S科學(xué)家花費(fèi)更少的時(shí)間爭(zhēng)取更多的時(shí)間去亞牛軟件，投入更多的時(shí)間在科學(xué)上。

　　很不幸的事，當(dāng)前科學(xué)計(jì)算軟件的現(xiàn)狀很不理想。首先，增加的計(jì)算能力已使科學(xué)家解決了空前的規(guī)模和復(fù)雜性的問(wèn)題。但是，有一個(gè)副作用，就是需要執(zhí)行這些任務(wù)的軟件也已成為龐大而復(fù)雜的。二是科學(xué)家們普遍使用各種各樣的系統(tǒng)，從模擬代碼，數(shù)據(jù)分析軟件包，數(shù)據(jù)庫(kù)，可視化工具，到與每一個(gè)代表不同的接口和文件格式的本土軟件。因此，科學(xué)家可能會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，只是想把所有這些組件以某種方式共同工作。最后，努力運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)軟件工程原理去重寫軟件，充其量只能產(chǎn)生不同的結(jié)果。第一，科學(xué)家不愿意去拋棄原有的軟件。其次，這種努力對(duì)第二系統(tǒng)的影響也是很脆弱的，設(shè)計(jì)者想建造一個(gè)足夠龐大的系統(tǒng)以至于不可能去實(shí)施，也不可能去滿足特定問(wèn)題的需要。

　　盡管存在這些困難，較有前景的技術(shù)之一，是近年來(lái)出現(xiàn)的常見(jiàn)的腳本語(yǔ)言，如Python，Perl和Tcl（Python， 1999; Perl， 1999; Tcl， 1999）。，它們作為一種工具，能創(chuàng)造更好的科研軟件。在這篇文章中，我要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)腳本語(yǔ)言，尤其是python，源于我對(duì)一種特定的應(yīng)用新程序4年的跟蹤研究。我特別希望來(lái)說(shuō)明腳本語(yǔ)言是多么適合的科學(xué)軟件項(xiàng)目，以及它們可提供的開(kāi)發(fā)方式去解決重要的軟件工程問(wèn)題，如可靠性，元器件，重用和項(xiàng)目管理工程。盡管討論將集中在Python中，我想強(qiáng)調(diào)這些原則適用于一般的腳本語(yǔ)言。

　　2. 科學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)

　　考慮到科學(xué)軟件主流派別。一方面有諸如IDL和MATLAB等封裝包。另一方面也有一些特定軟件去解決特定問(wèn)題（多數(shù)是研究人員自己寫的）。即使是封裝包更精致，對(duì)于更有意思的科學(xué)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，更有可能被本土軟件包含。例如，一個(gè)特殊用途的程序可能被寫入為了解決偏微分方程，而像IDL這樣的包可能會(huì)錯(cuò)誤百出。大多數(shù)新的科學(xué)軟件創(chuàng)建都是一個(gè)研究小組決定的，以解決新的計(jì)算問(wèn)題。最初，他們的目標(biāo)只是要解決一個(gè)非常具體的問(wèn)題，由一組特定的方程，初始條件，邊界條件和數(shù)值技術(shù)定義。在許多情況下，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)編寫C或Fortran與一些數(shù)值方法和一些編程庫(kù)援助的小程序就可以搞定。

　　剛開(kāi)始時(shí)，程序很小。但是一旦它們成功了，就會(huì)被擴(kuò)大去解決一些類似的問(wèn)題。為了處理這些差異，額外的靈活性通常被添加到一個(gè)的用戶界面，無(wú)論是用戶查詢各種問(wèn)題參數(shù)或要求用戶提供一個(gè)系列的命令行選項(xiàng)的形式系統(tǒng)。不幸的是，隨著更多的功能以這種方式被添加到工程中，科學(xué)家會(huì)在眾多命令行和神秘的輸入腳本中崩潰。當(dāng)程序到達(dá)這個(gè)階段，開(kāi)發(fā)者可能會(huì)決定徹底改革其結(jié)構(gòu)和用戶界面。很多時(shí)候，往往會(huì)導(dǎo)致本土的命令解釋器，它允許用戶設(shè)置參數(shù)和執(zhí)行簡(jiǎn)單的命令。當(dāng)然，這并不是一個(gè)驚奇。其一，實(shí)施一個(gè)簡(jiǎn)單的命令解釋器對(duì)有能力的程序員來(lái)說(shuō)并不是十分艱巨。其次，這種界面可以模仿那些更精美得科學(xué)軟件。不幸的是，這通常代表了許多項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的最后階段。其一，超越了簡(jiǎn)單的解釋器將涉及廣泛的編程技能，而這正是很多編程者不具備的技能。例如，把一個(gè)完整的編程語(yǔ)言的命令解釋器都需要一些語(yǔ)言解析器的設(shè)計(jì)施工和技術(shù)知識(shí)。例如，把一個(gè)命令行解釋器變?yōu)檎麄€(gè)編程語(yǔ)言，需要解釋器構(gòu)造技術(shù)和一些語(yǔ)言設(shè)計(jì)技巧。同樣，建設(shè)一個(gè)圖形用戶界面需要一個(gè)同樣復(fù)雜的編程技能。然而更可能的情況是，科學(xué)家們沒(méi)有看到這些功能被加入所獲得收益是佛值得開(kāi)發(fā)。因此，科學(xué)家的工具箱全部充滿了各種各樣的程序，每個(gè)都是他們自己寫的奇怪的語(yǔ)言。然而，糟糕的用戶界面只是問(wèn)題的一部分。相反，關(guān)鍵的一點(diǎn)是，最有用的科學(xué)軟件開(kāi)始時(shí)比較小，在一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)一段時(shí)間后變得比較零散。此外，這些項(xiàng)目在開(kāi)始時(shí)很少創(chuàng)建通用軟件包-雖然隨著時(shí)間的推移軟件的使用目的變得更加普遍。

　　由于存在這些問(wèn)題，努力提高科學(xué)軟件將面臨重大的挑戰(zhàn)。首先，科學(xué)家們很少愿意放棄現(xiàn)有的軟件，特別是如果他們熟悉其運(yùn)作，并對(duì)其結(jié)果的準(zhǔn)確性充滿信心。第二，努力去吧非結(jié)構(gòu)話得程序改造成正是的軟件設(shè)計(jì)也是失敗的。最后，需要強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單的解決方案，也要提產(chǎn)剛和鼓勵(lì)軟件在最初創(chuàng)建時(shí)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)。

　　3. Python

　　Python是一種解釋性的面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，在科學(xué)應(yīng)用中開(kāi)始受到極大關(guān)注。因?yàn)閜ython，和其他腳本語(yǔ)言一樣，為許多科學(xué)工程提供了下一個(gè)道路。Python提供了一種解釋型編程語(yǔ)言 ，可以看做是科學(xué)工學(xué)中已經(jīng)使用的簡(jiǎn)單命令語(yǔ)言的擴(kuò)展。第二，python和容易和用其他語(yǔ)言編寫的軟件進(jìn)行集成。因此，它既可以作為一個(gè)控制語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有的程序，也可以作為將不同的系統(tǒng)結(jié)合在一起的膠水語(yǔ)言 。最后，Python提供了大量的第三方模塊集合，已經(jīng)建立的用戶群，以及以圖書和其在線參考等形式的文檔。 出于這個(gè)原因 ，可以把python作為一種擴(kuò)展，當(dāng)科學(xué)家寫他們自己的命令行時(shí)。

　　4. 集成動(dòng)態(tài)應(yīng)用

　　為了說(shuō)明python的使用，這篇論文的最后部分將重點(diǎn)集中在把python加入到動(dòng)態(tài)米快代碼中獲得的經(jīng)驗(yàn)，這次試驗(yàn)在在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)行的。這個(gè)應(yīng)用程序最初在1992年被開(kāi)發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的模塊動(dòng)態(tài)的三維展示。最遲，程序用在1024處理器，在巨型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。后來(lái)程序也可以在SUN公司的多核處理器T3D，上運(yùn)行。雖然在這些領(lǐng)域取得了一些很大的成功，但是這個(gè)程序在實(shí)踐當(dāng)中很難使用。尤其是，當(dāng)趨勢(shì)線科學(xué)項(xiàng)目的目標(biāo)時(shí)問(wèn)題總會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。

　　考慮到這些因素，加入python就被提上日程。首先，高度解釋的語(yǔ)言將為問(wèn)題規(guī)范和盡可能減少C源碼的改變提供了出色的機(jī)制。第二，為了解決數(shù)據(jù)分析問(wèn)題，我們計(jì)劃集成模擬代碼和數(shù)據(jù)分析和可視化功能。然而，為了使這項(xiàng)工作，一個(gè)非常強(qiáng)大的，簡(jiǎn)單的用戶界面將是必需的。 最終，python作為一種系統(tǒng)，從表面上看就像matlab和IDL一樣。從持久性和性能上考慮，python也是很好的選擇。舉例來(lái)說(shuō)，他可移植大各種系統(tǒng)，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)不閉有很多概念，python 也可以被加入到已經(jīng)存在的代碼中去。