Seminar Performance-Tuning und Erweiterungen (C/C++/Fortran) für GNU Octave

Inhaltsverzeichnis

• Abstract
• Zielgruppe
• Voraussetzungen
• Lernziele
• Agenda (2 Tage)
• Praxisworkshops
• Tuning-Checkliste

Abstract

Dieses Seminar zeigt, wie Octave-Auswertungen beschleunigt und funktional erweitert werden können. Inhalte sind Profiling, Laufzeit- und Speicherdiagnose, vektorisierte Umsetzung, Vorallokation, effiziente Datenlayouts und der Umgang mit großen Datenmengen. Zusätzlich wird die Integration nativer Erweiterungen behandelt: Schnittstellenkonzepte, Kompilierungsidee, Übergabe von Arrays, Datentypmapping und Performance-Gewinn durch ausgelagerte Kernroutinen. Praxisübungen setzen auf reale Hotspots: Schleifen, wiederholte Allokationen, unnötige Kopien und teure I/O. Ziel ist ein reproduzierbarer Prozess: messen, optimieren, testen, dokumentieren.

Zielgruppe

• Teams mit großen Datenmengen oder langen Laufzeiten
• Engineering- und Analysepipelines mit Skalierungsbedarf
• Entwicklerinnen und Entwickler, die Kernroutinen auslagern wollen

Voraussetzungen

• GNU Octave Grundlagen
• Vorteilhaft: Software Engineering, Automatisierung und Deployment (für Tests/Struktur)
• Für native Erweiterungen: grundlegendes Verständnis von C/C++ oder Fortran (basal)

Lernziele

• Performance-Hotspots methodisch identifizieren
• Vektorisierung und Speicherstrategien anwenden
• Laufzeit- und Speicherkosten in Codeentscheidungen übersetzen
• Erweiterungsansatz wählen: Octave-Funktion, Paket, native Erweiterung
• Numerische Ergebnisse trotz Optimierung stabil halten (Tests, Toleranzen)

Agenda (2 Tage)

• Tag 1
  • Profiling-Idee: messen vor optimieren, repräsentative Inputs
  • Vektorisierung: Muster und Anti-Pattern
  • Speicher: Vorallokation, Kopien vermeiden, Datenlayout
  • I/O-Performance: Lesen/Schreiben minimieren, Batch-Strategien
  • Übung: Schleifenhotspot in vektorisierte Form bringen
• Tag 2
  • Erweiterungen: wann native Routinen sinnvoll sind
  • Schnittstellenkonzept: Arrays rein, Arrays raus, Typmapping
  • Build- und Integrationsidee: kompiliertes Modul, Versionierung, Tests
  • Fallstudie: Pipeline beschleunigen und Ergebnisgleichheit prüfen
  • Dokumentation: Performance-Report und Abnahme

Praxisworkshops (Step-by-step)

• Workshop A: Profiling und Hotspot-Isolation
  • Repräsentatives Inputset definieren
  • Baseline-Laufzeit messen und protokollieren
  • Codeabschnitte isolieren (größte Zeitanteile)
  • Hypothese bilden: Allokationen, Schleifen, I/O, teure Funktionen
  • Optimierung umsetzen und erneut messen
  • Ergebnisgleichheit mit Toleranz prüfen
• Workshop B: Vektorisierung und Vorallokation
  • Schleifenfunktion identifizieren, die Array sukzessive erweitert
  • Zielgröße vorab bestimmen und Array vorallokieren
  • Schleife reduzieren oder durch Vektoroperation ersetzen
  • Laufzeit und Speicherverbrauch vergleichen
  • Lesbarkeit bewerten und kommentieren
• Workshop C: Native Kernroutine als Konzeptübung
  • Rechenkern definieren (z. B. inneres Produkt, Filterkern, Spezialfunktion)
  • I/O-Interface spezifizieren: Eingabearrays, Ausgabeform
  • Typmapping festlegen (double-Array als Standard)
  • Kompilations- und Einbindeschritte als Build-Skizze dokumentieren
  • Vergleichstest: Octave-Referenz vs. Erweiterungsausgabe

Tuning-Checkliste

• Baseline messen und Input fixieren
• Allokationen reduzieren, Vorallokation konsequent
• Vektorisierung dort, wo es lesbar und stabil ist
• I/O bündeln und Zwischenergebnisse minimieren
• Jede Optimierung mit Test absichern (numerische Toleranzen)