導入
数値計算の現場において、プログラムの実行時間は極めて重要です。特に大規模な配列演算を行う際、ループ処理を多用すると、コンパイラによる最適化の恩恵を十分に受けられないことがあります。今回解説する「全体配列式（Array Expression）」と「PURE属性」を組み合わせる手法は、コンパイラに対して「この処理は並列化可能である」という強力なヒントを与え、コードを劇的に高速化させるための非常に重要なテクニックです。
基礎知識
Fortranにおける「全体配列式」とは、doループを書かずに配列全体を一度に演算対象とする記述法（例：a = b + c）のことです。この記法を用いると、コンパイラはデータ間の依存関係がないと判断し、SIMD命令やマルチコアによる並列化を積極的に行います。
ここで重要なのが「PURE属性」です。関数にPURE属性を付与すると、「この関数は外部変数の書き換えや入出力を行わず、入力値のみから出力値を決定する」ことをコンパイラに保証します。コンパイラはこの保証があるからこそ、配列の各要素に対して独立した計算を安全に並列実行できるのです。
実装/解決策
自作関数を全体配列式で使用するには、関数の定義に「PURE」キーワードを追加するだけです。これにより、コンパイラは配列のスライシング（部分参照）や全体演算において、最適化の障壁となる副作用がないと確信し、メモリのアクセス効率を最大化するコードを生成します。
サンプルプログラム
以下のコードは、配列の各要素に対して純粋関数を適用する例です。コンパイル時には最適化オプション（-O3など）を有効にすることで、高いパフォーマンスが得られます。
! コンパイル例: gfortran -O3 main.f90 -o app
program pure_example
implicit none
integer, parameter :: n = 1000
real :: a(n), b(n)
integer :: i
! 配列の初期化
forall(i=1:n) b(i) = real(i)
! 全体配列式による関数の呼び出し
! PURE関数であるため、コンパイラは内部で効率的な並列ループを生成可能
a = calculate_val(b)
print , “計算完了:”, a(1), a(n)
contains
! PURE属性を付与することで、副作用がないことをコンパイラに保証する
pure function calculate_val(x) result(y)
real, intent(in) :: x(:)
real :: y(size(x))
! 配列全体に対する演算
y = x2 + 2.0 x + 1.0
end function calculate_val
end program pure_example
応用・注意点
現場での実装において注意すべき点は以下の3点です。
1. 副作用の禁止：PURE関数内では、グローバル変数（module変数）の変更や、print文による画面出力、ファイルの書き込みは一切禁止されています。これを行うとコンパイルエラーになります。
2. 意図しないコピーの回避：全体配列式は非常に便利ですが、複雑なスライシングを行うと、一時的な作業用配列（テンポラリ配列）が内部で生成され、メモリを圧迫することがあります。パフォーマンスが伸び悩む場合は、配列の形状（shape）が一致しているか確認してください。
3. デバッグの難しさ：PURE関数内ではprint文が使えないため、デバッグが困難です。開発時はPUREを外して検証し、完成時にPUREを付与する手順がスムーズです。
この手法をマスターすることで、数値計算コードの可読性を高めつつ、最新のCPUアーキテクチャの性能を最大限に引き出すことが可能になります。ぜひプロジェクトの共通関数群から導入してみてください。
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