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赡衣蓝
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1 Fortran95 简介 - 全文版 By 陈鲸太 FORTRAN 的演进 FORTRAN 的起源, 要追溯到 1954 年 IBM 公司的一项计划由 JOHN BACKUS 领导的一个小组, 尝试着在 IBM 704 计算机上面发展一套程序, 它可以把使用接近数学语言的文字, 翻译成机械语言这个计划在刚开始并不被大家看好, 但他们在 1957 年交出了成果, 也就是第一套 FORTRAN 编译器,FORTRAN 语言也就因此诞生了 FORTRAN 语言的执行效率普遍的令各界满意, 它证明了这项计划的可行性, 也成为第一个被广泛使用的高级语言 FORTRAN 的名字来自于英文的 FORMULA TRANSLATOR 这两个字, 而这两个字恰是数学公式翻译器的意思旧版的 FORTRAN77 是在 1978 年由美国国家标准局 (ANSI) 所正式公布的, 之后改版有 1992 年提出的 FORTRAN90 以及 1997 年的 FORTRAN95, 本文是为了 FORTRAN 95 所撰写编译器简介 1 VISUAL FORTRAN VISUAL FORTRAN 一开始是起源于 MICROSOFT 的 FORTRAN POWERSTATION 4.0, 这套工具后来卖给 DIGITAL 公司来继续发展, 下一个版本称为 DIGITAL VISUAL FORTRAN 5.0,DIGITAL 后来被 COMPAQ 合并, 所以接下来的 6.0 及 6.5 版就称为 COMPAQ VISUAL FORTRAN 而 COMPAQ 目前又跟 HP 合并, 也许下一个版本会称为 HP VISUAL FORTRAN VISUAL FORTRAN 被整合在一个叫作 MICROSOFT VISUAL STUDIO 的图形接口开发环境中,VISUAL STUDIO 提供一个统一的使用接口, 这个接口包括文书编辑功能,PROJECT 的管理除错工具等等, 所以在使用上其实跟上学期的 VISUAL C++ 满类似的, 同学们上课用过 VISUAL C++, 对 VISUAL FORTRAN 应该不会陌生 VISUAL FORTRAN 6.5 除了完全支持 FORTRAN 95 的语法外, 扩充功能方面提供完整的 WINDOWS 程序开发工具, 专业版还内含 IMSL 数值链接库另外它还可以和 VISUAL C++ 直接互相连结使用, 也就是把 FORTRAN 和 C 语言的程序代码混合编译成同一执行档案 2 在工作站使用 FORTRAN 学校计中工作站也提供 FORTRAN COMPILER, 使用方式很简单, 只需要在存放 FORTRAN 档案的目录下面输入下面叙述即可 :

2 ccsun33 [u /fortran]% f77 filename.for 这个指令使用 f77 的 compiler, 其中 filename.for 就是我们所编写的 FORTRAN 程序档案 ccsun33 [u /fortran]% f90 filename.for 这个指令使用 f90 的 compiler 而指令按下 enter 键之后, 会把结果 COMPILE 到 a.out 这个档案里面, 我们想要执行这个程序, 只要在命令提示字符后打 a.out 就可以看到执行结果 : ccsun33 [u /fortran]% a.out 如果在 compile 的过程中想要把执行档改成别的档名, 不要每次都变成 a.out, 那我们可以输入下列指令 ccsun33 [u /fortran]%f77 filename1.for o filename2 或者 ccsun33 [u /fortran]%f90 filename1.for o filename2 则 filename2 会变成我们的执行档名字在 COMPILE FORTRAN 的时候, 我们必需登入学校计中 ccsun26~ccsun35 的机器才可以使用 ( 学校规定 ), 并且因为软件总数只有两套, 同时间只有两个人能可 compile FORTRAN 基本事项字符集字符集是指使用 FORTRAN 的时候, 所能使用的所有字符有符号 FORTRAN 所能使用的字符集有 1 英文 26 个字母 : 大小写不分 2 数字 :0 到个特殊符号 : 有冒号等号加号减号惊叹号等等书面格式 FORTRAN 程序代码的写作格式有两种,FREE FORMAT( 自由格式 ) 以及 FIXED FORMAT( 固定格式 ) 简单来说,FIXED FORMAT 是属于旧式的写法, 它在写作版面上有很多限制 FREE FORMAT 是 FORTRAN90 之后的新写法, 取消了许多旧的限制 FORTRAN 程序代码附加档名为 *.F 或 *.FOR 的档案, 就是指以 FIXED FORMAT 来写作的程序, 若以 *.F90 为附加档名的档案, 就是以 FREE FORMAT 来写作的程序建议现在都应该改用 FREE FORMAT 来写作程序 FIXED FORMAT 固定格式之中, 规定了程序代码每一行中每个字符字段的意义如下表所示 : 第 1 个字符如果是字母 c,c 或 *( 星号 ), 表示此行是批注

3 第 1-5 个字符如果这边是数字, 表示这一行的代号, 否则应为空白第 6 个字符如果是 0 以外的字符, 表示这一行程序会接续上一行第 7-72 个字符 FORTRAN 程序代码的写作区域第 73 个字符之后不使用, 超过部份会被忽略, 有的编译器会有错误讯息 FIXED FORMAT 是为了配合早期需要使用打洞卡来输入程序才发明出来的格式现在都应该要使用 FREE FORMAT 来写作程序早期的计算机, 还没有使用显示器作为输出装置, 不能像现在一样直接利用键盘来修改程序早期的程序是利用打洞卡片一张一张的记录下来, 再拿给计算机执行有着打洞卡的淘汰, FIXED FORMAT 也没有必要再继续使用下去不过同学们还是可以大概了解一下, 因为仍有些旧程序是用这种格式来写作 FREE FORMAT FREE FORMAT 基本上允许非常自由的写作格式, 它没有再去规定每一行的第几个字符有什么作用需要注意的事项只有下面几点 : 1 惊叹号! 后面的文字都是批注 2 每行可以写作 132 个字符 ( 注意! 并不是无限长 ) 3 行号放在每行程序的最前面 4 一行程序代码的最后如果是符号 &, 代表下一行程序会和这一行连接例子 :sample1.f90! Free Format program main write(*,*) hello! 打印出 hello 这个字 write(*,*) & hello wri& te(*,*) hello end 输出输入及宣告输出基本范例输出使用 write 指令, 如下例 sample2.f90 program main

4 write(*,*) hello stop end FORTRAN 程序通常以 PROGRAM 叙述来开头,PROGRAM 后面还要接一个自订的程序名称这个名称可以完全自订, 不需要和档名有任何的关系, 这个名字表示主程序的名字我在这里取名为 MAIN, 这个名字可以看个人喜好修改 FORTRAN 程序最后还要有 END 这个叙述, 表示程序代码写到这一行结束 WRITE 指令就是作为输出用,WRITE(*,*) 之中两个星号各有各自的意义, 前面的星号表示输出的位置使用内定值, 也就是屏幕, 后面的星号表示不特别设定输出格式另外, 下面三种输出格式其实会得到一样的结果 : WRITE(*,*) HELLO WRITE(6,*) HELLO WRITE(UNIT=6, FMT=*) HELLO 关于 WRITE 还有几点要注意 1 每一次执行 write 指令之后, 会自动换到下一行来准备做下一次的输出 2 因为双引号是用来包装字符串用的, 所以想要印出双引号的时候, 要连用两个双引号例 : 想要印出 MY NAME IS CASTER. 就要下达 WRITE(*,*) MY NAME IS CASTER. 这个叙述 3 FORTRAN90 可以使用双引号或单引号来包装字符串,FORTRAN77 标准中只能使用单引号, 不过大部份的 FORTRAN77 还是可以接受双引号范例中还有另一个指令 STOP,STOP 是终止程序的意思, 它可以出现在程序的任何地方, 程序执行到这个指令就会中止除非必要, 不要把 STOP 指令使用在主程序结束之外的其它地方因为一个程序如果有太多的终止点会容易出错 STOP 指令在这个地方可以省略, 因为主程序的程序代码执行完毕后, 程序会自动终止加上这个指令只是为了更明确表示程序到此结束而已 END 是用来包装程序代码使用的, 说明程序代码已经写作完毕 FORTRAN 90 标准中, 可以使用下面三种方法来表示程序代码写作结束,FORTRAN77 只能使用第一种方法 END END PROGRAM END PROGRAM MAIN! MAIN 是主程序的名字 PRINT 指令用法大致上和 WRITE 相同, 只是专门针对屏幕作输出, 因此少了指定输出的能力, 它也具有限定输出格式的功能, 其语法如下 : PRINT *, 输出字符串

5 宣告 1 整数整数的宣告法很简单, 如下 : integer a! 宣告 a 为一个整数, 内定范围为 2^32~ -2^32 2 浮点数 real a! 宣告 a 为一个浮点数, 默认值为单精度浮点数 real*4 a! 宣告 a 为一个单精度浮点数, 大小为 4byte real*8 a! 宣告 a 为一个双精确度浮点数, 大小为 8byte 单精度可记录的数值最大为 3.4*10^38, 最小为 -3.4*10^38 3 复数 FORTRAN 是少数有提供复数型态的程序语言, 宣告方法如下 complex a 设定复数的方法如下 : a=(x,y)!x 为实部,y 为虚部例如我们设 a=(3,8) 就表示 a 是 3+8i 范例 :sample3.f90 program main complex a,b a=(1.0,1.0) b=(3.0,4.3) write(*,*) a+b=, a+b write(*,*) a-b=, a-b write(*,*) a*b=,a*b write(*,*) a/b=, a/b stop end 则执行结果如下 a+b= (4.0,5.3) a-b= (-2.0, ) a*b= ( ,7.3) a/b= ( , ) 4 字符及字符串宣告一个字符的方法如下 CHARACTER a 宣告字符串的方法如下 CHARACTER(10) A! 宣告 A 这个字符串的最大长度为 10

6 另外使用下面几种宣告语法也是相同的结果 CHARACTER*10 CHARACTER(LEN=10) CHARACTER*(10) 宣告好之后, 我们要给予这个变量一个初始值的方法如下 : A= 字符串内容! 双引号在 FORTRAN90 适用 A= 字符串内容! 单引号在部份 FORTRAN77 及所有 FORTRAN 90 都适用输入指令输入指令的基本语法如下 : INTEGER A READ (*,*) A! 读入一个整数, 并存到 A 内 READ (5,*) A! 同上 READ(UNIT=5, FMT=*) A! 同上第一个星号表示输入的来源使用内定的装置, 第二颗星号来源表示不指定输出格式键盘的输入位置是 5, 也就是预设位置, 所以可以用星号代替键盘代码格式化输出格式化输出入的控制字符非常丰富, 但是常用的并不多, 在这里我们只示范几个比较常用的部份 A. 关于 I WRITE(*, (I5) ) 100! 用 5 个字符的字段来输出一个整数 OUTPUT : WRITE(*, (I3) ) OUTPUT: * * * 输出需要 5 个字段, 但是输出格式只给三个字的字段, 因此印出三颗星号作为警告 WRITE(*, (I5.4) ) 3! 输出五个字符字段, 至少输出 4 位, 不足补 0 B. 关于 F OUTPUT: _ WRITE(*, (F9.3) ) ! 输出 9 个字符字段, 包括小数部份 3 个位数 OUTPUT: C. 关于 E WRITE(*, (E15.7) ) ! 用科学计号表示法, 输出 15 个字符字段, 小数部份占 7 位 OUTPUT : E + 0 3

7 D. 关于 A WRITE (*, (A10) ) HELLO! 用 10 个字符宽度输出字符串 OUTPUT: _ H E L L O WRITE (*, (A3) ) HELLO OUTPUT : H E L E. 关于 B WRITE (*, (B6.5) ) 3! 把 3 变成二进制输出, 字 6 个字符宽, 至少输出 5 位 OUTPUT : _ F. 关于 X WRITE (*, (3X) ) 20! 输出前先填 3 个空格符 OUTPUT: _ 2 0 变量名称的取名原则变量名称的长度限制随着各家编译器而有所不同 FORTRAN 77 规定至少要支持到 6 个字符,FORTRAN 90 则规定最少要支持到 31 个字符变量的名字最好是取成一个有意义的英文单字, 这样可以减少程序写作时出错的机会 IMPLICIT 指令 FORTRAN 标准中有一项不太好的功能, 它的变量并不一定要经过宣告之后才能使用, 编译器会依变量名称的第一个字母来自动决定这个变量的型态第 1 个字母若为 I, J, K, L, M, N 的变量会被视为整数型态, 其它的变量则会被当成浮点数来使用来看下面范例 :SAMPLE4.f90 PROGRAM MAIN I=11+22 WRITE(*,*) 11+22=, J STOP END 程序执行结果会得到 11+22=0 这个结果当然是错误的, 错误是出在程序的第 3 行, 原本应该是要输出变量 I, 却不小心打成 J, 而 J 仍未设定任何数值, 所以会输出 0 来打错字是写程序的过程当中最容易发生的错误, 这一类的错误通常很难查觉出来, 尤其是在写作大程序的时候所以建议在 FORTRAN 程序中, 开始作宣告之前, 都加入下面这个叙述 : IMPLICIT NONE 加入这个叙述之后, 会把内定型态的功能关闭, 因此这个范例程序若加入这一

8 行, 那么在 COMPILE 的过程中就会发生错误, 我们必需事先宣告所有会使用的变量才可以 IMPLICIT 指令要马上接在 PROGRAM 指令的下一行, 不能把它放在其它位置常数的宣告常数的宣告有下列两种方式 A. REAL PI PARAMETER(PI= ) 这个方式先宣告 PI 是一个浮点数, 再宣告它是一个常数, 也就是我们所说的圆周率 B. REAL, PARAMETER ::PI= 这个方式同时宣告 PI 为浮点数及常数程序结构 FORTRAN 的程序结构应该如下 PROGRAM xxxx IMPLICIT NONE INTEGER INT1, INT2 REAL REAL1, REAL2 宣告区 READ(*,*) INT1, INT2 WRITE (*,*) INT1+INT2. 程序主体 STOP END 其中宣告区不可与程序主体交错

9 FLOW CONTROL IF THEN ELSE 基本语法如下 IF( 逻辑判断式 ) THEN 执行动作 1 ELSE 执行动作 2 END IF SAMPLE5.f90 PROGRAM MAIN IMPLICIT NONE REAL HIEGHT REAL WEIGHT READ(*,*) HEIGHT READ(*,*) WEIGHT IF (WEIGHT > HEIGHT-100) THEN WRITE(*,*) TOO FAT! ELSE WRITE(*,*) UNDER CONTROL END IF STOP END 逻辑表达式 FORTRAN 90 的逻辑运算符号共有下列几种 :

10 = = 相等 / = 不相等 > 大于 > = 大于等于 < 小于 < = 小于等于.AND. 如果两边式子都成立, 整个条件就成立.OR..NOT..EQV..NEQV. 两边的式子只要有一个成立, 整个条件就成立如果后面的式子不成立, 整个式子就算成立两边式子的逻辑运算结果相同时, 整个式子就成立两边式子的逻辑运算结果不同时, 整个式子就成立 FORTRAN 77 要用缩写来作判断, 不能使用逻辑符号.EQ. 等于.NE. 不等于.GT. 大于.GE. 大于等于.LT. 小于.LE. 小于等于 DO 循环 DO 循环基本语法如下 : DO 起始值, 终止值, 累加值执行程序代码 END DO 举例如下 : DO I=10, 5, -1 END DO WRITE(*,*) I 在这个程序中, 我们设定初始值是 I 这个变量为 10, 然后每次减 1, 一直到 I=5 为止, 因此程序会印出 :

11 DO WHILE DO WHILE 的基本语法如下 : DO WHILE ( 逻辑运算 ) 程序代码 END DO 因为跟同学们上学期学过的 C 语言几乎一样, 因此在这里不再多描述数组的宣告与使用宣告数组宣告数组有下列几种方法 : integer a(10)! 宣告 a 这个数组有 10 个元素 integer, dimension(10) :: a! 同上, 另一种作法而在 FORTRAN 77 当中, 我们必需用下面这种方法 integer a dimension a(10) 请记住在 FORTRAN 当中的数组是从 1 开始算, 也就是 a(1), a(2) 一直到 a(10) 使用数组我们要使用已经宣告出来的数组, 直接利用其 index 即可, 例如 : a(1)=18 也可以利用 DATA 这个叙述 INTEGER A(3) DATA A /36, 24, 36/ 在 FORTRAN 90 中, 还可以省略 DATA 这个叙述 INTEGER :: A(3) = (/36, 26, 36/) 使用这个方式必需注意, 括号跟除号之间不能有空格, 并且冒号不能省略函式子程序 (SUBROUTINE) 的使用写程序时, 可以把某一段常常被使用具备特定功能的程序代码独立出来, 包装成子程序, 以后只要经由呼叫的 CALL 指令就可以执行这一段程序代码一个包含子程序的 FORTRAN 程序在结构上大概如下 : PROGRAM MAIN 主程序代码

12 END SUBROUTINE SUB1() 程序代码 END SUBROUTINE SUBROUTINE SUB2() 程序代码 END SUBROUTINE 主程序不一定要放在程序的最开头, 它可以安排在程序中的任意位置, 可以先写子程序再写主程序也无妨子程序的最后一个指令通常是 RETURN, 表示程序要返回原来呼叫它的地方来继续执行程序在主程序内呼叫 SUBROUTINE 就使用 CALL 这个指令 FORTRAN 在传递参数的时候是使用传址呼叫 (CALL BY REFERENCE), 这个意思是说呼叫时所传递出去的参数, 和子程序中接收的参数, 它们会使用相同的内存地址来记录数据范例 :SAMPLE6.f90 PROGRAM MAIN IMPLICIT NONE END INTEGER :: A=1 WRITE (*,*) A 的初始值是, A CALL ADD(A) WRITE(*,*) A 后来的值是, A STOP SUBROUTINE ADD(NUM) IMPLICIT NONE INTEGER NUM NUM = NUM + 1 RETURN END SUBROUTINE 这个程序的输出会是 A 的初始值是 1 A 后来的值是 2 很明显的看到 A 的值被 SUBROUTINE 所改变了!! 自订函数 FUNCTION

13 自订函数的运作基本上跟 SUBROUTINE 非常类似, 它也是要经由呼叫才能执行, 也可以独立宣告变量, 参数传递的方法也如同子程序一样, 它和子程序只有两点不同 : 1 呼叫自订函数之前必需先宣告 2 自订函数执行后会传回一个数值函数的宣告方法如下 : REAL, EXTERNAL :: ADD 其中 EXTERNAL 这个字表示我们宣告的东西是个函数 FORTRAN 77 使用分开的宣告方式 : REAL ADD EXTERNAL ADD 范例 :SAMPLE7.f90 PROGRAM MAIN IMPLICIT NONE REAL, EXTERNAL:: TRIPPLE END real:: A=1.38 WRITE (*,*) "A 的初始值是 ", A WRITE (*,*) " 呼叫函数 ",TRIPPLE(A) WRITE(*,*) "A 后来的值是 ", A STOP REAL FUNCTION TRIPPLE(NUM) IMPLICIT NONE REAL NUM TRIPPLE = NUM * 3 RETURN END 程序的执行结果如下 : A 的初始值是 1.38 呼叫函数 4.14 A 后来的值是 1.38 我们可以发现, 使用了 function, 让我们 A 这个变量不产生改变, 而得到我们想要的输出, 而这个也是使用函数的不成文规定 : 传递给函数的参数, 只要读取它的数值就好了, 不要去更变它的资料传入函数中的参数就是所谓的自变量, 而函数传回的值是应变量自变量是自由变化的, 它的值应该不会在使用函数的过程中被改变, 如果想要改变传入的参数时, 最好使用子程序, 而不是使用函

14 数来完成工作这个是写作函数及子程序时的不成文规定

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