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1 能源与动力工程学院 目录 混合语言编程 陈 斌 第一节概述第二节 Fortran 与 的函数级调用第三节 Fortran 与 调用对方的动态链接库第四节 Fortran 2003 与 的互相调用 混合语言编程的目的 调用约定 混合语言编程 : 由两种或者两种以上的程序语言编写源代码, 进行参数传递 共享数据结构和信息, 实现子程序的互相调用, 从而建立应用程序的过程 使用混合语言编程, 可以充分利用各种语言的优势, 扬长避短 特别是可以调用已经存在的用其他语言编写的代码, 避免重复劳动 Fortran 具有独特而灵活丰富的数组操作, 特别擅长处理高精度浮点数运算 复数运算 多维数组等, 因此在数值计算 科学和工程技术领域具有强大的优势 Fortran 自诞生以来积累了大量高效而可靠的源程序, 目前广泛地应用于并行计算和高性能计算领域 语言的特点是灵活, 在内存的动态管理 函数调用与参数传递 字符串处理 图形处理以及软件开发环境和集成性等方面具有强大的优势 为变量和过程的命名 不同语言编写的例程 ( 包括不同语言中的函数 子例程和过程 ) 之间传递的参数等建立一套规则 命名约定 : 为了解决不同语言对变量名 参数名 过程名和函数名等标识符的不同处理, 以及对名称标识符的不同长度限制等的有关规则 协议和约定 大小写 命名规则 标识符长度 通过一定的书写规则和协议, 用编译程序在将一个程序块放入目标文件之前改变它名称, 采用一个兼容的 被调用语言认可的名称约定 参数传递 值传递还是通过引用传递 等价数据类型和数据结构 传递变量的顺序 1

2 Fortran & Fortran & Fortran INTEGER(1) INTEGER(2) INTEGER(4), INTEGER INTEGER(8) REAL(4), REAL REAL(8), DOUBLE PREISION OMPLEX(8) HARATER HARATER(n) LOGIAL(1) LOGIAL(2) LOGIAL(4) LOGIAL(8) signed char short int int long int float double 无对应类型, 可定义结构 struct complex float r, i; char char x[n] char short int long int Fortran 有返回值调用 函数 (FUNTION) 函数 (function) 无返回值调用 子例程 (SUBROUTINE) 空函数 (void function) 对于有返回值调用, 二者的返回值数据类型必须一致 Fortran 调用例程时, 实参和形参默认是引用传递, 而 则是值传递 如果二者均采用默认的调用方式, 那么 Fortran 调用 函数时, 的形参应该声明为指针类型 (*); 调用 Fortran 函数时, 传递实参时须以 & 形式传递变量地址 传递数组时, 二者均使用数组首地址作为参数, 因此无需转换 如果 的参数本身为指针变量, 也不需要转换 Fortran 和 的混合编程方式 分别编译 独立运行 也就是将 Fortran 和 各自要实现的功能模块源代码在各自的开发平台上编译连接成可执行文件并独立执行, 二者的数据通过数据文件交换 函数级调用 即 Fortran 和 分别编译各自的功能模块源代码, 得到各自的目标文件 (.obj), 然后集成链接这些 obj 文件生成一个统一的可执行文件, 实现对对方函数的调用, 数据交换通过约定接口来实现 ( 被调用模块一旦被修改, 整个软件必须重新进行编译连接 ) 动态链接库方式 将需要被调用的功能模块源代码编译连接成动态连接库, 然后通过约定的接口动态使用另外的语言调用该功能模块 修改 DLL 无需重新编译主调程序, 具有较好的移植性和复用性 语言 Fortran 调用约定 缺省 STDALL _cdecl ( 缺省 ) _stdcall Fortran 与 的函数级调用 例程名 name name name name name n 代表所有形参的字节数之和, 以十进制表示 obj 文件中的例程名 转化为 _NAME@n _name _name@n _name _name@n 大小写 全部大写 全部小写 全部小写 混合大小写 混合大小写 对应的调用约定 _cdecl _stdcall STDALL 实参都是按照从左到右的顺序将形式参数表中的变量传递给例程 Fortran 被调用的例程名在 obj 文件中要么是全部大写 ( 缺省模式 ), 要么是全部小写 的例程则可以保留混合大小写 / 2

3 Fortran 与 的函数级调用 调用 Fortran 例程时,Fortran 需要在接口块的例程说明或例程头部加入编译伪指令告知编译器有关调用约定!MS$ ATTRIBUTES!DE$ 对于固定格式,! 可以写作 c 或 * 例程 参数 属性名称 ALIAS STDALL REFERENE VALUE 为函数或子程序指定其在调用方的名字 指定用 方式代替缺省调用约定 指定用 STDALL 方式代替缺省调用约定 按引用方式传递参数或调用函数 参数按值传递 含义 一般应为输出函数或子程序指明该属性 若两者均未指定, 则使用不同于二者的缺省方式 Fortran 与 的函数级调用 此时, 语言要在函数说明前面加上 extern 关键字说明函数来自外部或供外部使用,extern 和函数说明中间加上 _cdecl 或 _stdcall 说明调用约定的属性 INTERFAE! Fortran 的接口块 FUNTION SUM(I, J)!MS$ATTRIBUTES, ALIAS: _Sum :: SUM! 供 语言调用的 Sum 函数!MS$ATTRIBUTES REFERENE::I, J INTEGER I, J, SUM END FUNTION END INTERFAE /* 源程序 */ extern _cdecl int Sum(int *, int *) VARYING 参数类型强制匹配 Fortran 与 的函数级调用 Fortran 调用 语言函数 调用 Fortran 例程时, 的形参必须传递与 Fortran 形参同类型变量的地址 Fortran 调用 语言函数时, 要在接口块中加入!MS$ ATTRIBUTES 编译伪指令告知编译器调用 函数时使用的约定! Fortran 的例程 SUBROUTINE SUM(I, J) INTEGER I, J END FUNTION /* 源程序 */ extern _cdecl int SUM(int *, int *); int a, b; SUM(&a, &b); INTERFAE 例程说明语句! 定义函数 FUNTION 或子例程 SUBROUTINE [!MS$ ATTRIBUTES 例程选项 ]! 规定例程的调用 命名和参数传递约定 [!MS$ ATTRIBUTES 参数选项 ]! 规定参数传递的方式例程参数声明 END 例程名称 END INTERFAE 3

4 Fortran 调用 语言函数 例程的调用约定 : 为了统一 Fortran 的例程声明和所调用的 语言函数声明的大小写, 需要在例程调用约定语句中添加 ALIAS( 别名 ) 属性声明, 消除调用约定对例程名产生的影响, 使 能用大小写混合形式声明被 Fortran 调用的函数 调用的 函数!MS$ ATTRIBUTES, ALIAS:'_nAme':: NAME extern int name(int *p1, int *p2); extern int _cdecl name(int *p1, int *p2); 调用的 函数!MS$ ATTRIBUTES STDALL, ALIAS:'_nAme@n':: NAME extern int _stdcall name(int *p1, int *p2); Fortran 调用 语言函数 参数的调用约定 :Fortran 缺省参数传递为引用传递, 若在外部例程中施加了 或 STDALL 调用约定, 则缺省的引用传递改为值传递 ( 数组参数除外 ) 为了消除调用约定对参数传递的影响, 可以在外部例程中添加具体的参数传递属性 (REFERENE 或 VALUE) 声明 需要注意, 参数属性声明优先于调用约定声明, 即参数属性声明最终决定参数的传递方式!MS$ ATTRIBUTES MYSUB! 约定将例程 MYSUB 参数列表的引用传递改为值传递!MS$ ATTRIBUTES VALUE :: a! 将 a 定义为值传递方式!MS$ ATTRIBUTES REFERENE :: a! 将 a 定义为引用传递方式 Fortran 调用 语言函数 例 11-1 FORTRAN 调用 的空函数! FORTRAN 源文件 :ForMain.f90 PROGRAM 4For1 INTERFAE! Fortran90 与 的接口 SUBROUTINE SUM(I, J, k)!ms$ ATTRIBUTES, ALIAS: '_sum':: SUM! 命名约定!MS$ ATTRIBUTES VALUE::I! 形参 I 使用值传递方式!MS$ ATTRIBUTES REFERENE::J,K! 形参 J k 使用引用传递方式 INTEGER I, J, K END SUBROUTINE END INTERFAE INTEGER I, J, K I=1; J=2 WRITE(*, '(2(A, I2))') 'I=', I,', J=', J ALL SUM(I, J, K) WRITE(*, '(A, I2)') 'The sum of I and J is ', K END Fortran 调用 语言函数 /* 源文件 :function.c */ extern void _cdecl sum(int p1, int *p2, int *p3) /* 调用 ++ 程序时用 extern "" */ *p3 = p1 + *p2; 打开 VF 建立一个 onsole Application 工程先建立 1 个 Fortran 源文件 ForMain.f90 再建立 1 个 Text 文件 function.c 编译 连接, 即可生成可执行文件 4

5 Fortran 调用 语言函数 Fortran 调用 语言函数 例 11-2 FORTRAN 调用 的有值函数! FORTRAN 源文件 :ForMain.f90 PROGRAM 4For2 INTERFAE! Fortran90 与 的接口 FUNTION SUM(I,J)!MS$ ATTRIBUTES STDALL, SUM!MS$ ATTRIBUTES VALUE:: I!MS$ ATTRIBUTES REFERENE:: J INTEGER I, J, SUM END FUNTION END INTERFAE INTEGER I, J I=1; J=2 WRITE(*,'(2(A, I2))') 'I=', I, ', J=', J WRITE(*,'(A, I2)') 'The sum of I and J is ', SUM(I, J) END /* 源文件 :function.c */ extern _stdcall int sum(int p1, int *p2)!!!int 应该在调用约定之前 return p1 + *p2; 打开 VF 建立一个 onsole Application 工程先建立 1 个 Fortran 源文件 ForMain.f90 再建立 1 个 Text 文件 function.c 编译 连接, 即可生成可执行文件 调用 Fortran 语言例程 语言调用 Fortran 例程时, 要在源程序中对所调用的 Fortran 例程使用 extern 关键字说明该例程来自外部,extern 和函数说明中间加上 _cdecl 或 _stdcall 说明调用约定的属性 如果 Fortran 例程使用缺省方式的调用约定 ( 即不加任何说明 ), 它被 调用的函数 / 例程名在其 obj 文件中全转化为大写 此时 在声明所调用的 Fortran 外部例程原型时, 无论采用何种调用约定, 例程名必须大写 对于这种情形,Fortran 的源文件中不用对被 调用的例程做任何说明 调用 Fortran 语言例程 例 11-3 调用 FORTRAN 例程,Fortran 使用缺省的调用约定 /* 源文件 */ extern void _cdecl DIS_SUB(float *, float *, double *);/* 命名必须大写 */ extern double _stdcall DIS_FUNTION(double *); /* 命名必须大写 */ float x = 1.0, y = 1.0; double distance, d; /* 命名必须大写 */ extern double _cdecl DIS_FUNTION(double *); extern double _stdcall DIS_FUNTION(double *); DIS_SUB(&x, &y, &d); /* 传递变量的地址, 即引用传递 */ distance = DIS_FUNTION(&d); printf("x=%3.1f y=%3.1f d=%f distance=%f\n", x, y, d, distance); return 0; 5

6 调用 Fortran 语言例程 调用 Fortran 语言例程!Fortran 源文件 subroutine dis_sub(x, y, d) real :: x, y d = x * x + y * y end subroutine real(8) function dis_function(d) dis_function = sqrt(d) end function 如果 Fortran 例程使用 或 STDALL 调用约定, 它分别对应于 的 _cdecl 方式和 _stdcall 方式 此时 Fortran 例程中必须通过!MS$ ATTRIBUTES 编译伪指令说明 函数的别名, 就可以使用保留混合大小写的方式声明它所要调用的 Fortran 例程 打开 V 建立一个 Win32 onsole Application 工程 先建立 1 个 源文件 Main.c(Text 文件 ) 再建立 1 个 Fortran 自由格式的源文件 sub.f90 编译 连接, 即可生成可执行文件 调用 Fortran 语言例程 调用 Fortran 语言例程 例 11-4 调用 Fortran 例程,Fortran 使用 或 STDALL 调用约定 /* 源文件 */ extern void _cdecl dis_sub(float *, float *, double *);/* 命名无须大写 */ extern double _stdcall dis_function(double *); /* 命名无须大写 */ float x = 1.0, y = 1.0; double distance, d; dis_sub(&x, &y, &d); /* 传递变量的地址, 即引用传递 */ distance = dis_function(&d); printf("x=%3.1f y=%3.1f d=%f distance=%f\n", x, y, d, distance); return 0;!Fortran 源文件 subroutine dis_sub(x, y, d)!ms$ ATTRIBUTES STDALL, ALIAS:'_dis_Sub@12':: DIS_SUB!MS$ ATTRIBUTES REFERENE::x, y, d real :: x, y d = x * x + y * y end subroutine real(8) function dis_function(d)!ms$ ATTRIBUTES, ALIAS:'_dis_Function':: DIS_FUNTION!MS$ ATTRIBUTES REFERENE:: d dis_function = sqrt(d) end function 6

7 Fortran 与 调用对方的动态链接库 调用 Fortran DLL 静态库 (*.lib) 和动态库 (*.dll) LIB 中的函数必须复制到 EXE 文件,DLL 中的函数是 EXE 文件运行时动态调用的, 与 EXE 放在同一目录下即可 当共享的函数放在 DLL 中时, 应用程序能变得很小 同时, 多个应用程序可以访问同一个 DLL, 提高了系统资源的利用效率 DLL 只在内存中加载一次, 所有使用该 DLL 的进程会共享此块内存, 所以使用 DLL 可以节省内存 如果函数参数和返回类型不变, 也就是调用函数的接口保持不变, 改变 DLL 中的函数代码后可以不重新编译或链接调用 DLL 的程序 因此, 使用 DLL 可以提高软件的开发效率, 通过改变 DLL 即可实现对应用程序的更新和升级 DLL 的通用性强, 它的接口函数可被任何编程语言所编写的应用程序调用 在图形显示 数据结构等方面功能强大, 而 Fortran 擅长科学计算 因此, 通常是用 编写图形和用户交互界面, 而将 Fortran 的科学计算例程作为 DLL 在包含 Fortran 例程的 DLL 源文件中, 需要在例程头部加入如下说明 :! FORTRAN DLL 源文件 SUBROUTINE 例程名 ( 参数列表 )!MS$ ATTRIBUTES DLLEXPORT:: 函数名! 声明本函数为输出函数 END SUBROUTINE OUTPUT 对应的 语言主程序中, 需要对该函数做出说明 : extern 函数类型 _cdecl 函数名 ( 参数列表 ); 或 extern 函数类型 _stdcall 函数名 ( 参数列表 ); 调用 Fortran DLL 调用 Fortran DLL 为了能让 语言顺利地调用 Fortran DLL, 首先必须用 Fortran 编译器建立 Fortran 的 DLL 供 语言调用 打开 Visual Fortran, 选择 Fortran Dynamic Link Library, 新建一个项目 ForDll! FORTRAN 源文件 for4c.f90 SUBROUTINE OUTPUT(a, b, sum)!ms$ ATTRIBUTES DLLEXPORT::OUTPUT! 声明本函数为输出函数 IMPLIIT NONE INTEGER a, b, sum sum = a + b END SUBROUTINE OUTPUT 编译 链接源文件即可在当前工程的 Debug 目录下生成 ForDLL.lib 和 ForDLL.dll 两个文件 以静态方式调用 Fortran DLL 又称隐式调用, 即将 Fortran 的 LIB 文件直接加入到 的主程序, 然后直接编译执行 该方法的实施简单, 需要添加的码少 但由于需要装载 LIB 文件, 会导致运算慢 占用系统资源过多 /* 源文件 main.c */ 例 11-6 隐式调用 FORTRAN 动态链接库 /* 声明函数 OUTPUT 为 extern 型的, 即是从外部调用的 */ extern void _stdcall OUTPUT(int *a, int *b, int *sum); int a = 1, b = 2, sum; OUTPUT(&a, &b, &sum); printf("%d + %d = %d\n", a, b, sum); return 0; 将 Fortran 建立的 ForDLL.lib 和 ForDLL.dll 文件复制到当前 V 工程的 Debug 目录下, 点击主菜单的 Project, 将 ForDLL.lib 文件加入 V 的 Project, 然后编译运行 7

8 调用 Fortran DLL 以动态方式调用 Fortran DLL 也称显式调用或动态装载 首先通过 Windows API 函数 LoadLibrary() 装入 DLL, 再用 GetProcAddress() 函数来取得 DLL 中被调用的 FORTRAN 函数的地址, 调用该函数后再用 FreeLibrary() 函数将 DLL 释放 这种调用方式的优点在于可以完全控制 DLL 的载入和释放, 无需将.lib 文件加入 V 工程, 最有效地利用系统资源 例 11-7 /++ 显式调用 FORTRAN 动态链接库 调用 Fortran DLL #include <windows.h> /* 包含 LoadLibray() 等函数的头文件 */ int a = 1, b = 2, sum; /* 声明 dll 中的要调用的函数指针, 注意必须说明调用约定 */ typedef int(_stdcall *p_output)(int *a,int *b, int *sum); p_output OUTPUT; // 用函数指针声明 dll 中要调用的函数 HINSTANE hinstance; // 声明一个实例句柄 hinstance = LoadLibrary("ForDLL.dll"); // 加载动态库文件, 获得该文件的实例句柄 if(hinstance == NULL) printf("no DLL file exist!\n"); return -1; OUTPUT = (p_output)getprocaddress(hinstance,"output"); // 得到 dll 中被调函数的地址 if(output == NULL) printf("an not fine the address of the function!\n"); return -2; OUTPUT(&a, &b, &sum); // 调用 dll 中的函数 printf("%d + %d = %d\n", a, b, sum); FreeLibrary(hInstance); // 卸载动态库文件 return 0; Fortran 调用 的动态链接库 Fortran 也可以调用 的 DLL 如果 的 DLL 中使用了 windows 的 API 函数,Fortran 可以通过这种途径间接调用 API 函数, 给 Fortran 语言扩展了应用空间 语言建立 DLL 源程序时, 需要在文件头部加入如下说明 : extern 函数类型 _declspec(dllexport) _stdcall name( 参数列表 ); 或 _declspec (dllexport) extern 函数类型 name( 参数列表 ); _declspec (dllexport) 用来说明函数 name 作为 DLL 的输出函数! FORTRAN 主程序 interface function name( 参数列表 )!MS$ATTRIBUTES DLLIMPORT, STDALL, ALIAS: '_name@n' ::name!!ms$attributes DLLIMPORT,, ALIAS: '_name' ::name 参数说明 end function name end interface Fortran 调用 的动态链接库 打开 V, 选择 Win32 Dynamic Link Library, 新建一个项目 DLL /* 源文件 c4for.c */ #include <windows.h> /* API 函数 MessageBox 的头文件 */ _declspec (dllexport) extern int _stdcall sum(int *a, int *b); /* 也可写成 extern int _declspec (dllexport) sum(int *a, int *b);*/ int _stdcall sum(int *a, int *b) int c; char d[255]; c = *a + *b; sprintf(d, "You are calling windows API function by Fortran to show the result '%d '", c); MessageBox(NULL, d, " DLL called by Fortran", MB_OK); /* 调用消息弹出框函数显示计算结果 */ /* d 表示待输出的字符串 */ /* " DLL called by Fortran" 将显示为弹出窗口的标题 */ /* MB_OK 表示将弹出窗口的按钮显示为 OK */ return c; 8

9 Fortran 调用 的动态链接库 Fortran 2003 与 的互相调用 Fortran 调用 的 DLL 例 11-8 Fortran 调用 的 DLL! FORTRAN 源文件 ForMain.f90 program main interface integer function sum(a, b)!ms$ ATTRIBUTES DLLIMPORT, STDALL, ALIAS: ::sum integer a, b end function sum end interface integer a,b a = 1; b = 2 write(*, *) sum(a, b) End Fortran 2003 的新标准提供了内部模块 ISO BINDING, 定义了 Fortran 与 语言连接时必需的类型常量, 从而规范了 Fortran 语言与 语言的连接方式 对于支持 Fortran 2003 标准的编译器, 源程序中简单引用 ISO BINDING 模块后, 就可以将 Fortran 变量定义成与 语言数据结构兼容的数据类型, 语言和 Fortran 语言就可以通过上述接口相互调用 Fortran 使用 iso_c_binding 与 互相调用对方函数的前提是用接口块说明例程的协同性 将前面 V 建立的 DLL.lib 和 DLL.dll 文件拷贝至 VF project 的 Debug 目录下, 点击主菜单 Project 选项, 将 DLL.lib 文件加入 VF 的 project 编译并运行 Fortran 程序, 可以调用 的 DLL, 间接使用 windows 的 API 函数 MessageBox 弹出消息框显示计算的结果 Fortran 2003 与 的互相调用 Fortran 2003 与 的互相调用 例 11-9 Fortran 2003 调用 的函数! FORTRAN 源文件 PROGRAM FOR2003 IMPLIIT NONE INTERGER X, Y INTERFAE SUBROUTINE SUM( A, B ) BIND( ) USE, INTRINSI :: ISO BINDING! 声明使用 ISO BINDING INTEGER( KIND=_INT ), VALUE :: A! 声明变量 A 相当于 的 INT 类型, 使用值传递 INTEGER( KIND=_INT ) :: B! 声明变量 B 相当于 的 INT 类型, 使用引用传递 END SUBROUTINE SUM END INTERFAE X = 1; Y = 2 ALL SUM(X, Y) END /* 源文件 */ void sum(int a, int *b) printf("%s%d\n", "sum = ", a + *b); 9

10 调用 Fortran 2003 的函数和子例程 调用 Fortran 2003 的函数和子例程 例 调用 Fortran 2003 的函数和子例程 /* 源文件 */ extern void cdecl DIS_SUB(float *, float *, double *); /* Fortran 函数或子例程的命名必须大写 */ extern double stdcall DIS_FUNTION(double *); float x = 1.0, y = 1.0; double distance, d; DIS_SUB(&x, &y, &d); distance = DIS_FUNTION(&d); printf("x=%3.1f y=%3.1f d=%f distance=%f\n", x, y, d, distance); return 0;! FORTRAN 源文件 subroutine dis_sub(x,y,d) use ISO BINDING real :: x, y d = x * x + y * y end subroutine!fortran 2003 版本须使用本句说明 real(8) function dis_function(d) use ISO BINDING!Fortran 2003 版本须使用本句说明 dis_function = sqrt(d) end function 能源与动力工程学院 10