计算化学编程语言

sky

在搞计算化学的几年间接触过不同的几个组，发现无论学术水平高低，计算机水平都比较落后。毕竟大家都是以学术为主，而且不少人还是因为贪图计算化学不用做实验才入坑的，对计算机一无所知。看着不少人，甚至高水平组的人，用着简陋的工具，白底黑字的登录界面，实在是不忍直视；很多人对linux不熟悉，对编程不了解，明明一个小时能干完的活却要花费一整天。所以我就有了写一系列有关计算化学中计算机知识的想法，希望能借此传播计算机知识，提高工作效率。也希望能与更多的人交流经验。
我本人是计算机爱好者，当初也是因为对计算机的喜爱而入的坑。所以文章将以计算机方面的知识为主。这篇文章是本系列的第一篇文章，就先讨论一下计算化学编程语言的问题。

我想这是很多人在入门量化的时候纠结过的问题，要不要学编程？学什么语言？我在入门的时候也纠结过，先后学过Fortran，C++，perl等语言，期间走过很多弯路，在此写下一些经验教训供人参考。
先上结论，除非你的专业是写量化计算程序的，否则不要碰C/C++, Fortran能读懂就行。除此之外还要把linux玩熟，并且学会以下几种语言：

• shell script
• perl/python
  

为什么一定要学编程
当初我是因为电脑玩得好才入的计算坑，在某个组学计算的时候发现组里的人做vasp的节奏是先用gaussian view建好模型，再手动将文件格式改成vasp的输入文件。计算完成之后，要打开输出文件，找到原子坐标，手动转换成gjf文件在用gaussian view。大量地时间消耗在了这些毫无意义地数据处理、格式转换上。
在为什么说「量化穷三代，计算毁一生」？ - 化学，最高票答主余旷就提到：

“博士第二年，你终于学会了用vi和linux工作，发现你一天的活师兄半小时就可以干完，于是你开始学bash和python。”

计算机最大的好处之一就是能节省大量重复性的工作，身为化学中跟计算机联系最紧密的专业，就要利用好这些优势。在这几年中我写了很多脚本或者程序来辅助我工作，常常是别人要忙活半天的事，我只需要敲一下键盘就行了，这些脚本大大提升了我的工作效率。不仅如此，我还可以根据自己的需求来定制一些功能。比如我写的freqmov.pl就是一个把vasp频率计算中的频率做成动画的脚本。
以下是我这几年工作中用到的全部脚本，现在分享出来供大家用：
GitHub - Mabinogiysk/VASP-script

下面来谈谈编程语言的选择，仅涉及C/C++, Fortran, Shell Script, Perl,Pyhton.
犹记得我刚入行时看到软件都是Fortran写的，所以想着一定要把Fortran学会。可之后又有人说C/C++更快，于是又纠结于学C/C++还是Fortran.我想很多刚入行的人也有跟我当时一样的困惑。

首先要明白你学语言的目的是什么
在我看来学编程语言无非这么几个用处：

• 研究方向是某量化软件的开发
• 读懂并修改软件源码，实现特殊功能
• 自己写个小程序做计算
• 辅助科研工作，比如数据处理
  

前两者不在讨论范围，那必然是C/C++或Fortran必学一个了。在我看来，大部分的人都属于后两者。对于这部分人，我是强烈不推荐学C/C++和Fortran的。

为什么不学C/C++和Fortran

• C/C++和Fortran的优势在于速度快，但除非是写量化程序，否则这个快是没有意义的。现代计算的处理速度对于一般人而言绰绰有余。我用Perl写的数据处理脚本，处理两百多万行的vasp输出文件仅需两三秒，C/C++和Fortran再快也就能节省一两秒钟，没有任何实际意义。
• C/C++和Fortran的学习成本很高（相比于python），并且开发效率极低。用Python一个小时写出的功能，用C/C++和Fortran花一天时间也不见得能写出来。而且在所有主流编程语言中，C/C++是最难学的语言，没有之一。深入理解该语言需要很多底层的计算机知识和硬件知识，其中各种陷阱更是无数。没有个两三年的编程经验，都不敢说自己懂C/C++。
• 对于自己写小程序的人酌情考虑。如果需要写的是运算量非常大的程序，或者用python写出的程序要跑两三天，那可以考虑Fortran. Fortran的速度可以跟C/C++媲美，最重要的是学习成本低（相比于C/C++）。
  

作为非计算机专业人士，学编程就应该学那种半天就能看懂，一天就能上手写项目的语言。Python无疑是其中的佼佼者，python语法贴近自然语言，简单易懂，网上还有大量的参考资料和教程。在慕课，网易云课堂等在线学习网站也有相应的视频教学和练习。

Python还有一个巨大的优势就是兼容C语言，这也就使得他和C/C++的速度差距缩小了。先用Python开发出整个程序，再在性能瓶颈处用C语言改写。量化程序About — ASE documentationASE就是用python写的，使用容易，功能强大，计算小分子完全不是问题。其矩阵运算的部分就是用C语言写的。

Perl和Python选一个学就行，我个人比较推崇Perl是因为其强大的数据处理能力。Perl的前身是用于文本处理和系统管理的语言，在工业界有极为广泛的应用，只是最近十年由于Python的崛起而有些衰落。其文本处理能力，代码简洁程度我认为是优于python的，我尤其喜欢perl内置的正则表达式，比python方便很多。

顺便插一句，要想更好地处理数据，正则表达式是一定要学的，无论你用的是perl, python, 还是shell script.
shell script是linux内置的脚本语言，功能有限，但是写起来简单快捷，主要用于完成一些重复性地工作。用linux的人是离不开shell script的，我的电脑上也有大量的shell script脚本，提交计算任务后自动生成INCAR文件，自动调用不同版本的vasp，当一个计算完成后自动开始下一个计算，自动清理，自动备份等等，可以节省相当的工作量。以后会专开一篇文章讲shell script的作用。
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2017-7-11更新

曾有人评论过说做分子动力学要处理几个Ｇ的文件。对于这种情况，那当然最好用C/C++了。对于大多做量化计算的人，我想处理的数据都达不到这个量级，那本文讨论的情况是完全适用的。

yflchx

写的挺好，支持。


我一直从工具的角度看，

语言也好，软件也好，

哪个好用用哪个。所以，我觉得个人喜好至关重要。

liyuanhe211

yflchx 发表于 2016-7-30 11:16
写的挺好，支持。

我倒不觉得是“个人喜好至关重要”，而是每个语言设计之初就有其适于使用的范围，要做什么事情就应该用相应的（几种）语言。

wull

很期待 楼主加油

菩城

写得很好，程序是给人服务的，能够满足自己的需求就好，没必要追求最快的语言。

get-it

已star

978142355

程序是个好东西，我个人觉得程序就是专门做重复而且繁琐的东西，既不可将其神圣化（无论什么都用程序实现），也不能有不用程序的想法。楼主写的东西我感觉挺不错的，推荐的我也赞同。我感觉吧，Fortran学习学习还是不错的，python和perl我是没用过，一直都是C，Fortran，Shell script三者轮着用，哪个方便用哪个（PS：C出场的机会确实很少），对于有大量浮点数运算的，我还是首先会选择Fortran。
总结一下吧，搞计算的或多或少，一定要学习一点程序语言，否则有的东西处理起来真的是看似简单，动起手来又十分繁琐。然后就是，知道什么情况下，用什么样的语言较合适，这样就可以了。全部个人见解，如有意见请指正。

sky

978142355 发表于 2016-7-30 21:33
程序是个好东西，我个人觉得程序就是专门做重复而且繁琐的东西，既不可将其神圣化（无论什么都用程序实现） ...

说实话，当初就是看到有人上来就学C来处理数据我才有写这篇文章的想法。
我没有用到大量浮点运算的地方，除了上老师课之外从未写过Fortran。没用过python的话，还是推荐试一试，shell script好用但是毕竟功能有限。

978142355

sky 发表于 2016-7-31 09:03
说实话，当初就是看到有人上来就学C来处理数据我才有写这篇文章的想法。
我没有用到大量浮点运算的地方 ...

因为我们的计算需要大量的浮点数，所以fortran我还是经常用的，不过脚本我一般还是首选。听LZ这么推荐，以及咱们论坛里LiyuanHe老师的使用，感觉python可能确实不错，我想我有C的基础，应该学的很快吧。

kevin

期待楼主继续发帖，本人小白，一直都想学些计算机的知识，现在还在shell脚本的基础挣扎，期待自己有一天也能把这些工具用的很好。
给楼主手动点赞！！！

lindlar

学习了，希望看到下一篇！

珊珊来迟

很棒的帖子！期待楼主更新，很想学习一下！目前菜鸟一只。。

dark_cosmos

python使用起来真的很爽，写起来相当舒服。再加上perl已经能够很好的完成我的工作了

caofan_success

楼主给推荐一些Python和Perl的入门书籍或者其他学习资料吧

AEYOU

感谢分享。先Mark一下。虽然入行才一周，但发现自己确实对这个挺感兴趣的。很赞同楼主的观点：重复的工作一定要用代码解决。之所以来这里，也是源于此。师姐给了一个shell脚本，用来生成POSCAR的。但每生成新的POSCAR后，INCAR中相应的数值也要改。组里同学或者没改，或者手动改。但我想在师姐给的那个shell脚本基础上自己再写个新脚本，把这两个工作一起搞定。