第1章fortran概述

1、第1章 Fortran概述,作為一門(mén)誕生于上個(gè)世紀(jì)50年代后半期的高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，F(xiàn)ortran在這個(gè)C/C++、Java等新興語(yǔ)言大行其道的時(shí)代仍然活躍在人們的視野之中。Fortran語(yǔ)言的長(zhǎng)項(xiàng)在于數(shù)值計(jì)算，在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的用途。在描述數(shù)學(xué)語(yǔ)言的自然性方面，F(xiàn)ortran同現(xiàn)存的其他高級(jí)語(yǔ)言相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于科研工作者和工程技術(shù)人員而言，F(xiàn)ortran語(yǔ)言的易學(xué)性和易用性是公認(rèn)的。,1.1 Fortran起

2、源,Fortran是英語(yǔ)中“公式（Formula）”和“翻譯（Translation）”兩個(gè)單詞取前幾個(gè)字母的縮寫(xiě)形式，意即“公式翻譯”。Fortran主要面向科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)或企事業(yè)管理中經(jīng)常遇到的能夠用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題。因?yàn)榭梢韵癯瓕?xiě)教科書(shū)里的公式一樣書(shū)寫(xiě)數(shù)學(xué)表達(dá)式，它比用英文書(shū)寫(xiě)的自然語(yǔ)言更接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言。這使得Fortran在科研工作者和工程技術(shù)人員中擁有龐大的使用人群。Fortran語(yǔ)言是第一個(gè)被正式推廣的高級(jí)計(jì)算機(jī)

3、語(yǔ)言。在四十多年的發(fā)展歷程中，它始終是數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域所使用的主要語(yǔ)言。本小節(jié)主要介紹Fortran的起源。第一代Fortran語(yǔ)言是在1954年提出來(lái)的，稱為Fortran I。它于1957年在IBM 704計(jì)算機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)。其開(kāi)發(fā)者巴科斯的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種容易理解、簡(jiǎn)單易學(xué)又幾乎能像匯編語(yǔ)言一樣高效運(yùn)行的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，他和他的團(tuán)隊(duì)在這一點(diǎn)上取得了極大的成功。但是這一計(jì)劃在最初階段并不被人們看好，這其中包括巴克斯的上司馮·諾依曼。

4、,1.2 Windows下Fortran編譯器使用,由于Windows操作系統(tǒng)有著龐大的用戶群體，因此Windows系統(tǒng)下的編譯器開(kāi)發(fā)非?；钴S。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的Fortran編譯器包括Visual Fortran系列、Salford的FTN系列、G95/gFortran的Windows版本、Absoft公司的Absoft Fortran，Macrovision公司的PGI Visual Fortran等。這其中，影響較大、功能較全、性

5、能較好、應(yīng)用最廣泛的Fortran編譯器提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的Visual Fortran系列。Visual Fortran系列編譯器起源于微軟公司開(kāi)發(fā)的Fortran Power Station 4.0編譯系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了當(dāng)時(shí)微軟最新開(kāi)發(fā)的Develop Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），使得Fortran程序的開(kāi)發(fā)方式跟上了時(shí)代的潮流。但是該編譯系統(tǒng)在實(shí)際使用中出現(xiàn)的問(wèn)題較多，例如沒(méi)有嚴(yán)格的數(shù)組越界檢查功能等。這套工具隨后被賣給

6、了數(shù)字設(shè)備（DEC）公司繼續(xù)開(kāi)發(fā)，隨后產(chǎn)生了一個(gè)曾經(jīng)非常流行的Fortran編譯器系統(tǒng)。,1.2.1 安裝Compaq Visual Fortran,Compaq Visual Fortran的安裝過(guò)程比較簡(jiǎn)單。用戶將安裝光盤(pán)放入CD-ROM后，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行光盤(pán)中的安裝程序。,,,【Select Folder】對(duì)話框,安裝歡迎界面,1.2.2 創(chuàng)建第一個(gè)Fortran工程,Compaq Visual Fortran的圖形用戶界面

7、直接使用了微軟公司的Develop Studio 6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，極大地方便了程序的編寫(xiě)、調(diào)試和修改。在圖形界面下，編寫(xiě)、調(diào)試一個(gè)Fortran程序首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Developer Studio工程。,1.2.3 在Fortran工程中添加源代碼,完成工程的基本設(shè)置之后，就可以向Fortran工程添加用戶編寫(xiě)的源代碼了。向Fortran工程中添加源代碼可以參照下面的步驟來(lái)進(jìn)行操作。,1.2.4 在Fortran工程中新建源文件

8、,除了添加已有的源代碼來(lái)對(duì)工程進(jìn)行填充外，還可以在工程中創(chuàng)建新的源代碼文件。在工程中創(chuàng)建新的源代碼文件有兩種方式可供選擇。下面的圖示演示了第一種操作方法。,1.2.5 在Compaq Visual Fortran中編譯源文件,在Compaq Visual Fortran中有兩種編譯模式可供選擇：一種是Debug模式（編譯出來(lái)的程序姑且稱作調(diào)試版本）；另一種是Release模式（編譯出來(lái)的程序姑且稱作發(fā)行版本）。同一個(gè)源代碼經(jīng)過(guò)這兩種編

9、譯模式編譯出來(lái)的程序在執(zhí)行效率和文件大小上都有很大區(qū)別：編譯程序在Debug模式下會(huì)向生成的可執(zhí)行文件寫(xiě)入很多調(diào)試信息和控制語(yǔ)句，因此編譯出來(lái)的可執(zhí)行文件“個(gè)頭大”、“跑得慢”。在Release模式下，編譯程序只會(huì)將源代碼中的有效語(yǔ)句編譯成可執(zhí)行文件，因此編譯出來(lái)的可執(zhí)行文件“個(gè)頭小”、“跑得快”。,1.3 Linux下常見(jiàn)Fortran編譯器,作為開(kāi)源的操作系統(tǒng)，Linux因其較好的安全特性也擁有較多的使用人群，特別是一些資質(zhì)較

10、深的計(jì)算機(jī)愛(ài)好者。在Linux系統(tǒng)下，常見(jiàn)的Fortran編譯器包括GNU的Fortran 77編譯器G77、GNU的Fortran 95編譯器gFortran和G95、Intel公司開(kāi)發(fā)的Intel Fortran Compiler等。這里主要介紹gFortran和G95的基本用法。在Linux系統(tǒng)下安裝Fortran編譯器需要在控制臺(tái)窗口中進(jìn)行。以G95編譯器的安裝為例，首先打開(kāi)一個(gè)控制臺(tái)窗口，并進(jìn)入到想要安裝G95編譯器的文件夾

11、中。接下來(lái)運(yùn)行如下命令即可：wget -O - http://ftp.g95.org/g95-x86-linux.tgz | tar xvfz -ln -s $PWD/g95-install/bin/i686-pc-linux-gnu-g95 /usr/bin/g95,1.4 常見(jiàn)編譯器性能比較,各個(gè)編譯器由于實(shí)現(xiàn)的方式有所區(qū)別，因此實(shí)際編譯出的執(zhí)行程序也有區(qū)別。這種區(qū)別主要體現(xiàn)在可執(zhí)行程序的大小、程序的運(yùn)行速度、編譯所花費(fèi)的時(shí)間

12、等方面。本節(jié)主要給出Windows操作系統(tǒng)下，一些常見(jiàn)編譯器的性能比較。程序員可以以此為參考，在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)選擇合適的編譯器版本。,編譯器名稱和版本號(hào),1.5 常用編輯器,通常，編譯器廠商為了用戶更方便使用，會(huì)隨同編譯器為用戶提供簡(jiǎn)單的編輯器來(lái)書(shū)寫(xiě)源代碼。例如，Compaq Visual Fortran借用了微軟的Develop Studio 6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Intel Visual Fortran雖然沒(méi)有集成可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，但它可

13、以嵌入到Develop Studio .NET集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中。不過(guò)對(duì)于某些用戶而言，他們更習(xí)慣使用獨(dú)立的編輯器來(lái)進(jìn)行源代碼的編輯，而在命令行模式下對(duì)源代碼進(jìn)行編譯調(diào)試。獨(dú)立的源代碼編輯器大多也能用于普通文本的編輯。很多程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的源代碼文件同普通文本文件的差別僅僅是文件的擴(kuò)展名不同而已。本文主要介艸Ｓ玫囊恍Fortran源代碼編輯器和基本的使用方法。,1.5.1 UltraEdit,UltraEdit軟件是IDM Computer

14、Solutions公司開(kāi)發(fā)的一款性能優(yōu)秀、功能強(qiáng)大的文本編輯器，能夠用于編寫(xiě)多種進(jìn)制格式的文本文件和各種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的源代碼（如C、C++、JAVA、HTML等）。該編輯器配合自定義的語(yǔ)言配置文件，可以實(shí)現(xiàn)指定程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法高亮、代碼折疊、自動(dòng)縮進(jìn)和補(bǔ)位、代碼自動(dòng)補(bǔ)全、列操作模式等功能。本小節(jié)主要介紹UltraEdit文本編輯器的基本用法。在講解UltraEdit的用法前，建議首先用保存在本書(shū)配套光盤(pán)/Tools/IDM文件夾中的

15、wordfile.txt文本文件替換掉UltraEdit安裝目錄中的對(duì)應(yīng)文件。光盤(pán)中的wordfile.txt文本文件已經(jīng)由作者添加了Fortran語(yǔ)言的語(yǔ)法定義模塊，收集了盡可能全的Fortran語(yǔ)句、內(nèi)部函數(shù)、運(yùn)算符、關(guān)鍵字等信息，添加了代碼折疊、縮進(jìn)和補(bǔ)位的定義，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)法關(guān)鍵字的高亮顯示、源代碼折疊、自動(dòng)縮進(jìn)和補(bǔ)位等功能。在完成了語(yǔ)法配置文件的替換之后，就可以按照下圖所示的步驟學(xué)習(xí)應(yīng)用UltraEdit軟件進(jìn)行Fortran源

16、代碼編輯的過(guò)程。,1.5.2 ZionEdit,ZionEdit是一款定位于Windows平臺(tái)下的開(kāi)源源代碼編輯器。軟件作者的開(kāi)發(fā)目標(biāo)就是打造一個(gè)方便易用的源代碼編輯環(huán)境。ZionEdit的體積小巧、功能完善、界面友好，是不可多得的開(kāi)源源代碼編輯器。目前該軟件的最新版本為1.0.35版。這款編輯器同樣支持多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，能夠定制語(yǔ)法高亮方案。特別是列編輯模式，能夠方便的實(shí)現(xiàn)大段代碼的整體注釋。讀者可以在軟件作者的主頁(yè)http://

17、www.zionedit.org中獲取相關(guān)的軟件。,1.5.2 gEdit,gEdit是Linux系統(tǒng)下常用的一款文本編輯器。該編輯器體積不大、功能較為完善，能夠支持語(yǔ)法自動(dòng)高亮和自動(dòng)保存。最主要的是該軟件的使用較為簡(jiǎn)單，很容易上手。對(duì)于一些對(duì)功能要求不多、對(duì)操作的簡(jiǎn)易性較高的用戶而言，是替代那些功能完善、操作復(fù)雜的專業(yè)軟件，如Emacs、Vim等的不二之選。需要注意的是，gEdit只能運(yùn)行在Linux的圖形用戶界面下，在字符模式下則

18、不能正常運(yùn)行。如果想在字符模式下進(jìn)行Fortran源代碼的編輯，建議學(xué)習(xí)Emacs、Vim等不需要圖形環(huán)境的文本編輯器。,1.6 第一個(gè)Fortran程序——Hello! Fortran 90/95,1.2節(jié)和1.5節(jié)分別介紹了幾種常用的Fortran編譯器和源代碼編輯器。在對(duì)軟件的介紹過(guò)程中，我們已經(jīng)開(kāi)始了與Fortran源代碼的初步接觸。在光盤(pán)\Program\chap01\文件夾中也提供了一段最簡(jiǎn)單的源代碼。本節(jié)就主要通過(guò)對(duì)一個(gè)

19、基本程序的介紹來(lái)使大家對(duì)Fortran程序有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。對(duì)于了解C/C++語(yǔ)言的程序員肯定都非常熟悉一個(gè)著名的C/C++入門(mén)程序，即Hello! World。該程序通過(guò)最簡(jiǎn)單的幾句代碼使初學(xué)者對(duì)C/C++程序的結(jié)構(gòu)有了一個(gè)基本的了解。本節(jié)將借鑒這一做法，對(duì)Fortran程序的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。用UltraEdit、ZionEdit、gEdit或是Compaq Visual Fortran編輯窗，輸入如下代碼段。PROGRAM