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交峡唐
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1 第三讲 FORTRAN 77 编程基础 1

2 主要内容 FORTRAN 77 基础数据结构控制结构 ( 选择与循环 ) 基本输入输出函数与子程序计时函数文件操作 2

3 FORTRAN 基础 FORTRAN 语言发展概况 FORmula TRANslation 适用于工程及科学计算的一种高级程序设计语言 1951 年由约翰贝克斯等人开始研发 1957 年第一个 FORTRAN 程序在 IBM704 机上运行 1966 和 1978 年先后颁布 FORTRAN66 和 FORTRAN 和 1997 年颁布了 Fortran 90 和 Fortran 年公布 Frotran 2003 标准, 面向对象程序设计 2010 年公布 Fortran 2008 标准 3

4 FORTRAN 编译器免费的 FORTRAN 编译器 GNU FORTRAN / gfortran G95 Intel Fortran 编译器 ( 非商业版 ) 商业版 FORTRAN 编译器 Power Station Compaq Visual Fortran ( 已停止更新 ) Intel Fortran PGI Fortran Absoft Pro Fortran Lahey Fortran 4

5 程序开发环境 Linux 系统字符界面, 命令行方式 Code::Blocks + GCC Windows 系统 Microsoft Visual Studio + Intel Visual Fortran Code::Blocks + GCC 5

6 一个简单的编程示例 c c c program matmul integer n parameter (n=100) real a(n, n), b(n, n), c(n, n) do j = 1, n do i = 1, n a(i,j) = 1.0/(i+j 1) b(i,j) = 1.0 c(i,j) = 0.0 enddo enddo do i = 1, n do j = 1, n do k = 1, n c(i,j) = c(i,j) + a(i,k) * b(k,j) enddo enddo enddo print *, "c(1,1) = ", c(1,1) stop end 6

7 FORTRAN 程序分析一个 FORTRAN 源程序由一个或多个程序单元组成每个独立的程序单元以 end 语句结束每个程序单元包括若干行 ( 一行不能写多条语句, 但一条语句可以分几行写 ) 每个程序单元可包含语句行和非语句行 ( 注释行 ) 语句行 : 可执行语句和非执行语句行非执行语句在所有可执行语句行前面语句可以根据需要设置标号各类语句在程序单元中的位置必须满足一定规则程序必须按规定的格式书写 7

8 源程序书写格式 FORTRAN 77 源程序必须按规定的格式书写 (Fixed Format 固定格式 ) 每行只能在 72 列内书写, 并把 80 列分为 4 个区 1~5 列 : 标号区 (1~5 位整数 ) 如果第 1 列为 * 或 c, 则为注释行第 6 列 : 续行标志区续行符可以是任意非空格 / 非零字符最多 19 个续行 7~72 列 : 语句区 ( 一行只能写一条语句 ) 73~ : 被忽略, 有的编译器会报错 8

9 编写程序与编译执行源程序以.f 为扩展名纯文本文件, 可使用任何文本编辑器编写编译与执行 g77 O2 o 输出文件名源程序文件名./ 输出文件名 g77 O2 o hello hello.f./hello 9

10 编译执行 g77 常用选项 -o : 指定生成的可执行文件的文件名, 缺省为 a.out -c : 只编译不链接, 即只生成目标文件 (.o 文件 ) -Ipath : 指定或增加包含文件 ( 如 *.h) 的搜索路径 -Lpath : 指定 ( 增加 ) 库文件的搜索路径 -lname: 与库文件 libname.a 链接 -O, -O1, -O2, -O3 : 优化开关 -g : 在目标码中加入更多信息, 用于程序调试 10

11 FORTRAN 字符集英文字母 : A B C D X Y Z 下划线和阿拉伯数字 :_ 特殊符号 : 空格 = + - * / ( ),. ' : " FORTRAN 不区分大小写早期的 FORTRAN 卡片不允许小写故很多 FORTRAN 程序源代码都是大写的 11

12 FORTRAN 数据结构 F77 支持基本类型和构造类型的数据结构基本类型整型实型双精度复型逻辑型字符型构造类型 : 数组记录文件 F77 不支持指针 12

13 常量 1 整型常量 (Integer) 正负整数和零, 缺省取值范围为 :[-2 31, ] 2 实型常量 (Real) 小数或指数形式 : E E-2 指数部分只能是整数, 取值范围 :[10-38, ] 3 双精度常量 (Double precision) 8 字节 :0.125D+45, 取值范围 :[10-308, ] 4 复型常量 (Complex) 8 字节 :( 实数, 实数 ) 5 逻辑型常量 (Logical) 6 字符型常量 (Character) 13

14 变量变量类型整型实型双精度复型逻辑型字符型变量名第一个字符必须是字母后面可以跟 1~5 个字母下划线或数字现在的 FORTRAN 编译器允许多于 6 个字符 (g77 最多支持约 51 个字符 ) 变量名中的空格不起作用如 :abc,a bc 相同变量要先声明, 后赋值, 然后才能被引用 14

15 变量声明变量声明的三种方式 I~N 规则 ( 隐含约定 ) 以 i j k l m n 开头的变量缺省为整型变量, 以其它字母开头的变量缺省为实型变量 implicit 语句 ( 隐式声明, 更改或取消 I~N 规则 ) implicit double precision(a c,x) implicit real (i,j) implicit integer (a,b), real(i,k) implicit none! 去除所有的隐含约定 15

16 变量声明类型声明语句 ( 显式声明 ) 类型关键字变量列表基本数据类型关键字 : integer, real, double precision, complex, logical, character integer i, i2 real x, y double precision sum! 也可以写为 real*8 sum complex c1, c2 logical l1, l2 character ch1, ch2 16

17 变量声明变量声明的几点注意三种类型声明方式的优先级显式声明 > implicit > I~N 规则变量声明是非执行语句, 必须位于所有可执行语句的前面 implicit 语句应放在所有的类型声明语句的最前面只在本程序单元内有效 ( 局部变量 ) implicit double precision(a z) integer i,j 17

18 数组数组的声明 ( 方式一 ) 类型关键字数组名 ( 下标说明符,...) 下标说明符用于指定数组的大小, 一般形式为下标下界 : 下标上界 integer A(1:3,0:5) 若下界为 1, 可省略 integer A(3,0:5) 18

19 数组数组的声明 ( 方式二 ) dimension 数组名 ( 下标说明符,...) 例 : integer A dimension A(3,0:5) FORTRAN 中的数组是按列排放的 19

20 内部函数基本数学函数 ( 三角指数对数函数等 ) 直接调用函数名 ( 自变量列表 ) sin(1.57), mod(10,3) 函数自变量 ( 参数 ) 必须用括号括起来函数自变量可以是常量变量或表达式函数的类型通常由函数值的类型来确定, 但有些函数的类型是由自变量的类型来确定的三角函数的角度单位是弧度 20

21 表达式表达式算术表达式逻辑表达式关系表达式字符表达式算术运算符 :+ * / ** 没有左除多次乘方按先右后左的原则处理 4**3**2 4**(3**2) 运算顺序 :() 函数 ** * / + 21

22 算术表达式算术表达式运算结果的数据类型运算数据类型相同, 则结果仍为原类型运算数据类型不同, 则按下面的次序转换整型实型双精度复型注 : 类型转换从左到右进行, 遇到不同类型运算时才进行例 : 4/5 + 3* /5 + 3* d0/5d0 + 3d0*1.1d0 4.1d0 例 :ex4number.f 22

23 赋值语句变量 = 表达式赋值号左端只能是变量类型转换问题赋值号左右的数据类型不同时, 先计算表达式的值, 然后将结果转换为左端变量的数据类型为避免出现类型转换过程中的错误, 应保证两侧类型一致 23

24 初始化 DATA 语句可用 DATA 语句对变量进行初始化 data 变量表 / 初值表 /, 变量表 / 初值表 /,... 例 : data x,y/3.1,5.2/, i,j,k/1,2,3/ integer a(10) data a/10*3.1/! 表示 10 个

25 输入输出输入 / 输出三要素对象 ( 数据 ) 格式设备 FORTRAN 输出分类表控输出格式化输出无格式输出表控输出 : 按系统规定的缺省格式输出整数 : 每个整数占 11 列, 数印右端, 左补空格实数 :15 列, 数印右端, 左补空格, 小数部分占 6 列表控输出语句 print *, 输出列表 write(*,*) 输出列表 25

26 输入语句 FORTRAN 输入分表控输入格式化输入无格式输入表控输入 read *, 输入列表 read(*,*) 输入列表当执行到输入语句时, 程序会暂停, 等待用户输入输入多个数据时, 以逗号或空格隔开以回车结束输入输入的数据应和输入列表中变量的个数类型次序严格一致 26

27 parameter 定义符号常量 parameter(p1=c1, p2=c2,...) 符号常量名的命名规则与变量名相同符号常量也有类型, 也可用三种方法声明类型 parameter 语句是非执行语句 parameter 语句位于类型声明语句后面一次可以定义多个符号常量例 : integer m,n parameter(n=100, m=200) 27

28 END,STOP,PAUSE END 语句程序单元结束标志, 每个程序单元有且仅有一个 END PAUSE 语句暂停运行程序, 用于调试程序 STOP 语句停止运行程序, 用于调试程序 28

29 关系运算关系运算符.GT..GE..LT..LE..EQ..NE. 大于大于等于小于小于等于等于不等于关系运算符两边为算术量运算结果为逻辑值 : 真 (True) 或假 (False) 算术运算优先级高于关系运算注意运算符前后的两个点! 现在的 F77 编译器大多数也支持下列关系运算符 : > >= < <= == /= 29

30 逻辑运算逻辑运算符.AND..OR..NOT..EQV..NEQV. 逻辑与逻辑或逻辑非逻辑等于逻辑不等于逻辑运算符两边为逻辑量两个逻辑常量 :.True..False. 运算结果为逻辑值 : 真 (.True.) 或假 (.False.) 算术运算关系运算逻辑运算.not..and..or..eqv./.neqv. 30

31 IF 语句逻辑 IF 语句 if ( 条件 ) 一条执行语句逻辑 IF 语句 : 当条件为真时执行后面的语句逻辑 IF 语句后面只能写一条语句逻辑 IF 语句也常与 GOTO 语句合用 31

32 IF 结构 IF 结构 if ( 条件 ) then 语句块 elseif ( 条件 ) then 语句块 else 语句块 endif elseif 可以没有或有多个 else 至多只能有一个 if 结构可以嵌套 then 不能省略 32

33 GOTO 语句 GOTO 语句 goto 语句标号 F77 允许使用 GOTO 语句来实现转移由于 GOTO 语句不符合结构化原则, 一般不提倡使用 GOTO 语句和 IF 语句结合使用可以实现循环结构例 :ex4goto.f 33

34 DO 循环 DO 循环 DO [ 标号 ] 循环变量 = 初值, 终值 [, 增量 ] 循环体标号终止语句 sum = 0 do 110 i=1,100,1 110 sum = sum + i 例 :ex4do1.f 34

35 DO 循环 DO 语句的几点说明当循环变量的增量 ( 步长 ) 为 1 时可省略循环次数 =int(( 终值 - 初值 + 增量 )/ 增量循环次数一开始就被确定, 不再改变循环次数 <=0 时不执行循环若循环变量的类型和初值终值和步长的类型不一致, 则按赋值的规则处理尽量避免用实数作为循环的初值终值或步长循环变量在循环体内只能被引用, 不能被赋值离开循环时, 循环变量的值为最后一次被赋的值若程序中用到转移语句 (GOTO), 则 : 允许从循环体内体外 ; 不允许从循环体外体内 35

36 DO 循环 DO 循环的执行过程 1 计算初值终值增量的值, 并转换成循环变量的类型 2 将初值赋给循环变量 3 计算循环的次数 4 检查循环次数, 若 0 则跳过循环, 否则执行循环体 5 执行终止语句后, 循环变量增值, 循环次数减 1 6 返回第 4 步 36

37 DO 循环 DO 循环中的终止语句终端语句可以是除 GOTO 块 IF CASE CYCLE DO ELSE ELSE IF END IF END END SELECT EXIT SELECT CASE STOP 和 RETURN 语句以外的任一可执行语句, 如打印赋值输入或 CONTINUE 语句等 CONTINUE 语句又称空语句, 不进行任何操作, 常作为循环的终止语句 sum = 0 do 110, i=1,100,1 sum = sum + i 110 continue 37

38 DO 循环 ENDDO 语句 DO 循环的终止语句推荐使用! sum = 0 do i=1,100,1 sum = sum + i enddo 此时 DO 循环中不需要标号 DO 循环可以嵌套 38

39 隐式 DO 循环隐式 DO 循环隐式 DO 循环是一个简化的 DO 循环, 只含普通 DO 循环的第一句, 且省略关键词 DO 只能用于数据的输入输出 READ *, (X(I), I=1,20) WRITE(*,*) (A,B, N=1,5) 隐式 DO 循环也可以嵌套 PRINT *, ((A(I,J),I=1,3),J=1,3) 例 :ex4do2.f 39

40 条件 DO 循环条件 DO 循环 DO WHILE ( 条件 ) 循环体 ENDDO 不带循环变量的 DO 语句 DO 循环体 ENDDO 循环体中通常含 if... goto... 语句现在的 F77 编译器也支持 exit 语句, 退出最内层循环例 :ex4do3.f 40

41 字符变量字符型数据用单引号括起来, 每个字符占用一个字节连续两个单引号表示一个普通单引号字符变量的声明 character*15 str1 character str1*5, str2*10, str3*8 character*5 str1, str2*10, str3 字符变量的赋值 str1='fortan 77' 41

42 字符数组字符数组 character*15 str1(100) character*15 str1 dimension str1(100) 42

43 字符数据的运算字符型数据的运算字符串的合并 :// A='hello ' B='world' C=A//B 比较两个字符串的大小 : 按 ASCII 码, 依次比较提取子串 A(2:5), B(:3), C(3:) 字符串相关函数 LEN, CHAR, ICHAR INDEX, LGT, LGE, LLT, LLE 43

44 有格式输出有格式的输出 write(*, 标号 ) 输出列表标号 format( 格式说明 ) print 标号, 输出列表标号 format( 格式说明 ) 格式说明是由各种格式编辑符构成格式说明也可以放到 print write 和 read 语句中 print 100, k, y 100 format(i8, f7.2) print '(i8, f7.2)', k, y 44

45 格式编辑符格式编辑符 : I F E G D X A ' / r I: 整型数据的输出, 一般形式为 Iw 或 Iw.m! w 为打印宽度,m 为输出的最少位数 F/E: 小数 / 指数形式输出实数, 一般形式为 Fw.m 或 Ew.m! w 打印宽度,m 输出的小数位数 G: 根据需要, 自动采用小数或指数形式输出实数 D: 采用更高精度, 以指数形式输出实数 45

46 格式编辑符 X: 空格 nx! 输出 n 个空格 A: 字符变量的输出, 一般形式为 A 或 Aw! w 打印宽度 ': 单引号, 直接输出字符串 /: 结束本行的输出并从下一行开始输出下一个记录 r: 重复系数 format(1x,2i10,f8.3,3f7.2) 46

47 有格式输入有格式的输入 read(*, 标号 ) 输入列表标号 format( 格式说明 ) read 101, a, b, c 101 format(3f5.1) 47

48 内部函数与语句函数内部函数语句函数 ( 可直接使用 ) ( 先定义, 后调用, 使用方便 ) 函数名 ( 变量 1, 变量 2,...) = 表达式 f(x,y) = x*y + x/y 函数名的命名规则与变量名相同函数名不能与其他对象 ( 变量, 数组等 ) 同名是非执行语句, 应放在所有可执行语句的前面和所有声明语句之后虚参 ( 形参 ) 没有具体的值, 可与其它变量等同名语句函数可以使用前面已定义的其它语句函数只在所在程序单元内有效 48

49 函数子程序函数子程序的定义 ( 自定义函数 ) 类型关键字 function 函数名 ( 形参列表 ) 函数体 end function 函数名 ( 形参列表 ) 类型关键字函数名函数体 end 函数子程序的调用 : 直接调用 RETURN 语句 : 返回调用函数, 可出现一次或多次 49

50 函数子程序的几点说明 1 函数名的命名规则和类型都与变量相同 2 形参也有数据类型, 要在子函数体中声明 3 形参可以是变量名数组名和子程序名 4 函数被调用时, 形参和实参共用一个存储单元 5 若无形参, 括号不能省 6 函数子程序中所有变量和标号 ( 除函数名和虚参外 ), 与其它程序单元无任何联系 ( 局部变量 ) 7 函数名负责把函数值带回主调程序, 故在函数体中, 要被赋值, 即 : 函数名 = 表达式 8 函数子程序是一个独立的程序单位, 可以作为一个单独的源文件进行存贮和编译, 与调用程序链接后起作用 50

51 子例程序子例程序 ( 子程序 ) 的定义 subroutine 子程序名 ( 形参列表 ) 程序体 end 子例行程序名的命名规则与变量名相同如果没有形参, 括号可以省略形参可以是变量名数组名和子程序名形参和子程序体中所用的局部变量都要声明子程序的名字只起标识作用, 不能在程序体中出现子例程序的调用 call 子程序名 ( 实参列表 ) 实参和形参的结合 : 地址传递, 即共用一个存储单元 51

52 子例程序子例程序与自定义函数的差别名字的作用不同 : 函数名除了供调用外, 还代表函数返回值, 而子例程序名只供调用返回值的方式不同 : 自定义函数是通过函数名将函数值带回主调程序, 而子例程序是通过虚实结合将其新值转送回主调程序调用方式不同 : 函数的调用总是出现在表达式中, 而子例程序必须用一条独立的语句调用 52

53 文件操作文件打开 open( 说明项 ) 说明项包括 : 设备号文件名状态存取方式记录格式等文件的读写 read( 设备号, 格式 ), 输入列表 write( 设备号, 格式 ), 输出列表文件的关闭 close( 设备号 ) 53

54 文件操作二进制文件的读写文本文件的读写详见课程主页 FORTRAN 77 讲义 54

55 计时函数 etime (FORTRAN 77) call etime(tarray,t0) call etime(tarray,t1) print *, 'Elapsed time:', t1 t0 system_clock (FORTRAN 90) cpu_time (FORTRAN 95) call cpu_time(t0) call cpu_time(t1) print *, 'Elapsed time:', t1 t0 55

56 上机作业比较两种矩阵乘积算法的计算效率 ( 文件名 hw01.f)! i j k 形式 do i=1, m do j=1, L do k=1, n c(i,j)=c(i,j)+a(i,k)*b(k,j) enddo enddo enddo! j k i 形式 do j=1, L do k=1, n do i=1, m c(i,j)=c(i,j)+a(i,k)*b(k,j) enddo enddo enddo 矩阵 A 为 Hilbert 矩阵, 维数为矩阵 B 存放在二进制文件 datab.dat 中, 维数为每种算法计算 1000 次, 统计总的运算时间有没有其他实现方法? A, B, C 均为双精度实型 56

57 上机作业用 Jacobi 迭代解线性方程组 Ax=b, 其中 A T I I I I T R , T R, b 1 1 最大迭代步数设为 1000 次停机准则为 : 相对残量的 2 范数小于 10-6 ( 文件名 hw02.f) 57

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<4D F736F F F696E74202D BDE1B9B9BBAFB3CCD0F2C9E8BCC D20D1ADBBB7> 能源与动力工程学院结构化编程结构化程序设计循环循环结构确定性循环非确定性循环 I=1 sum=sum+i I = I +1 陈斌 I>100 Yes No 目录求和 :1+2+3++100 第四节循环的应用 PROGRAM GAUSS INTEGER I, SUM 计数器 SUM = 0 DO I = 1, 100, 1 SUM = SUM + I print*, I, SUM DO