為什么選用python進行科學計算

　　腳本語言已經(jīng)為很多科學計算器的構(gòu)建提供了很多強有力的工具，因為他們提供了其他解釋型語言的接口。和很多用C，C++，F(xiàn)ortran，等編寫的軟件進行集成，也可以為他們提供框架單元構(gòu)建。在這篇論文中，我主要描述腳本語言到科學計算工程中的進程，我強調(diào)的是使用python在科學動態(tài)研究中采用的大規(guī)模模塊動態(tài)代碼，實驗在在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行的。雖然這個應用程序和天文數(shù)據(jù)分析，問題，解決方案和經(jīng)驗教訓等不想關(guān)，但是可能感興趣的研究人員正在考慮在自己的項目中使用腳本語言。

　　1. 簡介

　　作為科學的軟件開發(fā)，最大的障礙之一是如何使科學軟件靈活，使用方便，維護簡單，易于適應規(guī)模擴大和復雜性增高的新問題。當然，是有很多原因希望這些高品質(zhì)，其中很重要的一點是，他們允許科學家花費更少的時間爭取更多的時間去亞牛軟件，投入更多的時間在科學上。

　　很不幸的事，當前科學計算軟件的現(xiàn)狀很不理想。首先，增加的計算能力已使科學家解決了空前的規(guī)模和復雜性的問題。但是，有一個副作用，就是需要執(zhí)行這些任務(wù)的軟件也已成為龐大而復雜的。二是科學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，可視化工具，到與每一個代表不同的接口和文件格式的本土軟件。因此，科學家可能會花費大量的時間，只是想把所有這些組件以某種方式共同工作。最后，努力運用現(xiàn)代科學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，科學家不愿意去拋棄原有的軟件。其次，這種努力對第二系統(tǒng)的影響也是很脆弱的，設(shè)計者想建造一個足夠龐大的系統(tǒng)以至于不可能去實施，也不可能去滿足特定問題的需要。

　　盡管存在這些困難，較有前景的技術(shù)之一，是近年來出現(xiàn)的常見的腳本語言，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，我要重點強調(diào)腳本語言，尤其是python，源于我對一種特定的應用新程序4年的跟蹤研究。我特別希望來說明腳本語言是多么適合的科學軟件項目，以及它們可提供的開發(fā)方式去解決重要的軟件工程問題，如可靠性，元器件，重用和項目管理工程。盡管討論將集中在Python中，我想強調(diào)這些原則適用于一般的腳本語言。

　　2. 科學軟件開發(fā)的特點

　　考慮到科學軟件主流派別。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題（多數(shù)是研究人員自己寫的）。即使是封裝包更精致，對于更有意思的科學內(nèi)容來說，更有可能被本土軟件包含。例如，一個特殊用途的程序可能被寫入為了解決偏微分方程，而像IDL這樣的包可能會錯誤百出。大多數(shù)新的科學軟件創(chuàng)建都是一個研究小組決定的，以解決新的計算問題。最初，他們的目標只是要解決一個非常具體的問題，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，這個問題可以通過編寫C或Fortran與一些數(shù)值方法和一些編程庫援助的小程序就可以搞定。

　　剛開始時，程序很小。但是一旦它們成功了，就會被擴大去解決一些類似的問題。為了處理這些差異，額外的靈活性通常被添加到一個的用戶界面，無論是用戶查詢各種問題參數(shù)或要求用戶提供一個系列的命令行選項的形式系統(tǒng)。不幸的是，隨著更多的功能以這種方式被添加到工程中，科學家會在眾多命令行和神秘的輸入腳本中崩潰。當程序到達這個階段，開發(fā)者可能會決定徹底改革其結(jié)構(gòu)和用戶界面。很多時候，往往會導致本土的命令解釋器，它允許用戶設(shè)置參數(shù)和執(zhí)行簡單的命令。當然，這并不是一個驚奇。其一，實施一個簡單的命令解釋器對有能力的程序員來說并不是十分艱巨。其次，這種界面可以模仿那些更精美得科學軟件。不幸的是，這通常代表了許多項目開發(fā)的最后階段。其一，超越了簡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，把一個完整的編程語言的命令解釋器都需要一些語言解析器的設(shè)計施工和技術(shù)知識。例如，把一個命令行解釋器變?yōu)檎麄€編程語言，需要解釋器構(gòu)造技術(shù)和一些語言設(shè)計技巧。同樣，建設(shè)一個圖形用戶界面需要一個同樣復雜的編程技能。然而更可能的情況是，科學家們沒有看到這些功能被加入所獲得收益是佛值得開發(fā)。因此，科學家的工具箱全部充滿了各種各樣的程序，每個都是他們自己寫的奇怪的語言。然而，糟糕的用戶界面只是問題的一部分。相反，關(guān)鍵的一點是，最有用的科學軟件開始時比較小，在一個相對長一段時間后變得比較零散。此外，這些項目在開始時很少創(chuàng)建通用軟件包-雖然隨著時間的推移軟件的使用目的變得更加普遍。

　　由于存在這些問題，努力提高科學軟件將面臨重大的挑戰(zhàn)。首先，科學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作，并對其結(jié)果的準確性充滿信心。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)計也是失敗的。最后，需要強調(diào)簡單的解決方案，也要提產(chǎn)剛和鼓勵軟件在最初創(chuàng)建時的發(fā)展和實驗。

　　3. Python

　　Python是一種解釋性的面向?qū)ο缶幊陶Z言，在科學應用中開始受到極大關(guān)注。因為python，和其他腳本語言一樣，為許多科學工程提供了下一個道路。Python提供了一種解釋型編程語言 ，可以看做是科學工學中已經(jīng)使用的簡單命令語言的擴展。第二，python和容易和用其他語言編寫的軟件進行集成。因此，它既可以作為一個控制語言驅(qū)動現(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。 出于這個原因 ，可以把python作為一種擴展，當科學家寫他們自己的命令行時。

　　4. 集成動態(tài)應用

　　為了說明python的使用，這篇論文的最后部分將重點集中在把python加入到動態(tài)米快代碼中獲得的經(jīng)驗，這次試驗在在洛斯阿拉莫斯國家實驗室 進行的。這個應用程序最初在1992年被開發(fā)，為了實現(xiàn)大規(guī)模的模塊動態(tài)的三維展示。最遲，程序用在1024處理器，在巨型計算機上運行。后來程序也可以在SUN公司的多核處理器T3D，上運行。雖然在這些領(lǐng)域取得了一些很大的成功，但是這個程序在實踐當中很難使用。尤其是，當趨勢線科學項目的目標時問題總會變得相當復雜。

　　考慮到這些因素，加入python就被提上日程。首先，高度解釋的語言將為問題規(guī)范和盡可能減少C源碼的改變提供了出色的機制。第二，為了解決數(shù)據(jù)分析問題，我們計劃集成模擬代碼和數(shù)據(jù)分析和可視化功能。然而，為了使這項工作，一個非常強大的，簡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。舉例來說，他可移植大各種系統(tǒng)，對用戶來說不閉有很多概念，python 也可以被加入到已經(jīng)存在的代碼中去。