Array-like collection data structures are widely established in Python's scientific computing-ecosystem for high-performance computations. The structure maps well to regular, gridded lattice structures that are common to computational problems in physics and geosciences. High performance is, however, only guaranteed for static computations with a fixed computational domain. We show that for dynamic computations within an actively changing computational domain, the array-like collections provided by NumPy and its derivatives are a bottleneck for large computations. In response, we describe the integration of naturally-dynamic collection data structures (e.g. double-linked lists) into NumPy simulations and \textit{ctypes}-based C-bindings. Our benchmarks verify and quantify the performance increase attributed to the change of the collection data structure. Our application scenario, a Lagrangian (oceanic) fluid-flow particle simulation within the \textit{Parcels} framework, demonstrates the speed-up yield in a realistic setting and demonstrates the novel capabilities that are facilitated by optimised collection data structures.


翻译:Python的科学计算-经济系统中广泛建立了类似射线的收集数据结构,以便进行高性能计算。结构图向物理和地球科学的计算问题所常见的常规、网格的网状结构绘制良好。然而,高性能只保证固定计算域的静态计算。我们显示,对于在积极变化的计算域内的动态计算,NumPy及其衍生物提供的阵列相似的收集是大量计算的一个瓶颈。作为回应,我们描述了自然动力收集数据结构(例如双联列表)与NumPy模拟和基于C型C装订的常规网格式结构的结合情况。我们的基准核查和量化了由于收集数据结构的变化而增加的性能。我们的应用假设是,在\ textitit{Parcels}框架内的Lagrangian(海洋)液流粒子模拟,展示了现实环境下的增速产值,并展示了由优化的数据收集结构所促进的新能力。

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