优化 Jacobian 确定性复用并补充性能剖析与平台依赖文档
在单次 Jacobian 构建内按完整输入精确复用储气物性、PH 反算、密度和管路求根结果，保持原有求值副作用、差分政策与失败回退。八路模型求解 CPU 中位数减少 19.27%，循环和不循环的完整原始采样均与恢复基线一致。 增加独立的跨平台时间剖析工具，记录互斥阶段耗时、Newton/LU 统计、矩阵复用与内核复用，保存 UD00 两种工况的调查报告和机器可读汇总。 补充 Windows/Linux 运行、测试、原生编译和剖析所需依赖文档及索引，不修改依赖清单、版本锁或安装环境。 验证：8 项新增专项回归通过；2270 次完整 Jacobian 核对零差异；16 次剖析配对及预热运行保持完整数值一致。既有固定样本哈希失败和 Linux 实机验收限制见报告。
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# 原生求解器时间剖析
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诊断入口：`tests/manual/profile_native_solver.py`。它冻结当前正常构建，在 `test/` 下的独立源码副本加入计时，生成分阶段耗时、求解计数、完整数值对照和插桩开销。适用于当前具有自动着色 Jacobian 的 BDF 模型；不支持的模型明确拒绝，不把无法观测的阶段报告为零。
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```powershell
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.\.venv-win\Scripts\python.exe tests/manual/profile_native_solver.py --run
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```
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默认使用 `tests/data/test-mql-8-corrected.json`，将所有 UD00 分别设为不循环、循环，仿真至 21.7 s，每个版本预热一次并测量三次。可用 `--input`、`--output`、`--stop`、`--warmups`、`--repeats` 调整。输出目录须是项目 `test/` 下的新目录，以保护既有证据。所有构建先完成，随后串行计时。省略 `--run` 只准备构建。
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已有完整测量可用 `--output test/solver-profile-20260916 --report-only` 重新检查计数和生成汇总，不重新编译或运行仿真。
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## 计时口径
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- 总计时覆盖原生进程内的初始化、积分、采样写盘、输出回放、JSON 编码及资源释放，排除构建、进程启动、API 和浏览器。
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- 采用单调墙钟：Windows 为 QueryPerformanceCounter，Linux 为 CLOCK_MONOTONIC。阶段耗时不是 CPU 采样百分比，不能与 CPU 秒数直接混用。
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- 每个作用域记录包含子调用的 `inclusiveSeconds`，以及扣除子调用后的 `exclusiveSeconds`。只有互斥的 exclusive 值可相加。
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- 三次阶段耗时取算术平均，确保分项之和等于总耗时；完整求解和进程耗时另报中位数。计时/统计开销仍包含在诊断结果中，以正常构建的配对运行估计扰动。
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- Jacobian 阶段包含基准和分组差分的模型求值；这些求值不重复计入普通 residual 阶段。保留探针、装配及普通 RHS 的子作用域数据。
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- Dense LU 没有稀疏矩阵的 symbolic factorization，记为不适用。
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- 当前预编译 SUNDIALS 关闭内部 profiler。误差估计无法独立直接计时，记录为 `null`，包含在 `cvode_controller_including_error_estimation` 中。该组还包括预测、历史更新、步长/阶数控制及其他未观测内部工作，不将其整体冒称为误差估计。
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- `newton_overhead` 为 Newton solve 扣除 residual、线性 setup、LU 和线性求解后的剩余时间，包括收敛判断、迭代控制及接口开销，不涵盖所有外层 CVODE 控制成本。
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- 事件计时扣除了接受步物性检查、普通采样和存储；保留事件探测、定位所用插值及模式更新。物性检查独立列出，以免淹没在框架耗时中。
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## 观测接口与数值核对
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使用 SUNDIALS 公共 SUNLinearSolver / SUNNonlinearSolver 操作表包裹原函数。诊断副本显式挂接同一库的 `SUNNonlinSol_Newton`，保持库的 Newton 实现及默认策略，便于计时与观测线性 setup。没有读取 CVODE 私有内存布局。正常构建仍使用原来的隐式默认创建过程。
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每次运行比较正常构建与诊断构建的完整结果 JSON（仅排除原有两个耗时字段），并核对状态/输出二进制文件 SHA。任何数值、警告、事件或原有求解计数变化均中止调查。计数读取在每次 CVodeReInit 之前及最终清理时累计，检查累计段数等于 solver_starts，避免仅报告最后一段。
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工具对单个独立进程内的一次 BDF 求解设计；诊断全局状态不作为并发库接口使用。生产源码、生产可执行文件和模型公式不被插桩脚本改写。
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## 参数定义
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| 参数 | 定义 |
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| `accepted_steps` | 累加 CVodeGetNumSteps，CVODE 成功内部步数 |
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| `application_accepted_steps` | 原应用接受步数，可能受同时间返回处理影响，另行保留 |
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| `same_time_returns` | CVODE 成功返回但返回时间与上一次相同的次数；此时应用保留求解器历史并继续推进 |
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| `error_test_failures` | 局部误差检验失败次数，对应原 `rejectedSteps` |
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| `nonlinear_step_failures` | 因非线性求解失败而拒绝的步尝试 |
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| `rejected_steps` | 上述两类步失败之和，不等同于原 `rejectedSteps` |
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| `residual_evaluations` | CVODE 普通 RHS 次数，包含初值/步长准备；排除 Jacobian 差分探针和事件求值 |
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| `nonlinear_residual_calls` | 实际 Newton 非线性 residual 回调次数，其代数部分的时间也计入 residual 阶段 |
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| `jacobian_probe_evaluations` | 自定义 Jacobian 基准/扰动 RHS 次数 |
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| `linear_rhs_evaluations` | CVODE 内置线性差分 RHS 次数，与自定义探针分别记录 |
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| `jacobian_evaluations` | Jacobian 矩阵刷新次数 |
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| `jacobian_reuses` | 成功的线性 setup 中，没有新增 Jacobian 计算、沿用已有 J 的次数；直接比较该次 setup 前后的累计刷新计数 |
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| `jacobian_kernel_reuse` | 新计算一个 J 时，对 gas/PH/density/pipe 确定性结果的计算/复用次数；与矩阵复用不同 |
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| `linear_setups` | CVODE 线性求解器 setup 调用次数，对应原 `nlu` 的实际口径 |
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| `LU_factorizations` | 原 Dense setup 的实际调用次数，失败次数另记 |
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| `LU_solves` | 原 Dense solve 的实际调用次数，失败次数另记；不使用直接法恒为零的 Krylov 迭代数代替 |
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| `newton_iterations` | 累加 CVodeGetNumNonlinSolvIters |
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| `newton_failures` | 累加 CVodeGetNumNonlinSolvConvFails；一次步尝试内可能刷新 J 重试，不等于拒绝步数 |
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| `newton_solve_calls` | Newton solve 入口次数，与 Newton 迭代数分别记录 |
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| `event_count` | 原状态转换计数，同一时刻多个转换可合为一次；不是被发现的每个零点数量 |
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| `scheduled_boundary_count` | UD00 等预定时间边界导致的额外重启次数，独立于状态转换事件 |
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| `event_detection_calls` | 接受步事件检查入口次数 |
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| `all_counted_model_evaluations` | 原 nfev，含普通 RHS、自定义 Jacobian 探针与摩擦事件求值；不含全部诊断/输出回放求值 |
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| `accepted_property_checks` | 接受步及初始化物性检查入口次数 |
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计数含义参考 [SUNDIALS 7.4 CVODE 可选输出接口](https://sundials.readthedocs.io/en/v7.4.0/cvode/Usage/index.html#optional-output-functions)。实际统计以本项目的调用边界和上述分项定义为准。
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## 输出
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- `prepared.json`：平台、编译器、模型参数、冻结构建哈希、原始/插桩源码哈希。
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- `noncyclic/`、`cyclic/`：正常构建、诊断构建及各次运行的完整结果。
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- 每次诊断的 `profile.json`：原始作用域次数、inclusive/exclusive 耗时和累计计数。
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- `measurement.json`、`measurements.json`：计时、原始数据哈希及数值一致性检查结果。
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- `summary.json`：互斥耗时分解、计数、分项平均值、总耗时中位数及观测扰动。
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计时器及锚点保护测试：`python -m unittest tests.test_solver_profile -v`。Windows 与 Linux 使用同一源码；实际平台验收情况应以具体调查报告为准。
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