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Fortran基本用法小结(zz)  

2011-12-16 12:16:39|  分类: fortran |  标签: |举报 |字号 订阅

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目录:
一、说明
二、概述
三、数据类型及基本输入输出
四、流程控制
五、循环
六、数组
七、函数
八、文件

一、说明
本文多数内容是我读彭国伦《Fortran 95 程序设计》的笔记。只读到第九章,主要是3~9
章,都是最基本的用法(原书共16章)。这里主要摘录了我看书过程中总结的一些Fortran和C不
同的地方,主要是语法方面。希望这份笔记能够给学过C但没有接触过Fortran的同学带去一些帮
助。要想得更清楚些,推荐看一下原书,觉得作者真的写得很好,很清楚;如果有C语言的基础,
看完前九应该很快的,花一两天就行了。觉得如果耐心看完本文,基本功能应该也可以顺利用起
来了。外,由于我之前没有用过Fortran,这次为了赶文档看书又看得很粗浅,大多数东西看过
之后都没得及仔细想,只是按着作者的意思去理解。所以这份笔记还处于纸上谈兵的层次。如果
有不妥的方,希望大家指正。谢谢!
文中蓝色的部分是程序代码,!后面的内容为注释
 
二、概述
1、名词解释
Fortran=Formula Translator/Translation
一看就知道有什么特色了:可以把接近数学语言的文本翻译成机械语言。的确,从一开始
,IBM设计的时候就是为了方便数值计算和科学数据处理。设计强大的数组操作就是为了实现这一
目标。ortran奠定了高级语言发展的基础。现在Fortran在科研和机械方面应用很广。
2、Fortran的主要版本及差别
按其发展历史,Fortran编译器的版本其实很多。现在在广泛使用的是Fortran 77和Fortr
an90。ortran 90在Fortran 77基础上添加了不少使用的功能,并且改良了77编程的版面格式,
所以编程时推荐使用90。鉴于很多现成的程序只有77版本,有必要知道77的一些基本常识,至少保
证能够看77程序。以下是77和90的一些格式上的区别。
Fortran 77: 固定格式(fixed format),程序代码扩展名:.f或.for
(1)若某行以C,c或*开头,则该行被当成注释;
(2)每行前六个字符不能写程序代码,可空着,或者1~5字符以数字表明行代码(用作格
式化输入出等);7~72为程序代码编写区;73往后被忽略;
(3)太长的话可以续行,所续行的第六个字符必须是"0"以外的任何字符。
Fortran 90:自由格式(free format), 扩展名:.f90
(1)以"!"引导注释;
(2)每行可132字符,行代码放在每行最前面;
(3)以&续行,放在该行末或下行初。
以下都是讨论Fortran 90。
3、Fortran的一些特点,和C的一些不同
其实很多,在下面涉及具体方面时可以看到。这里只是大致提一些。
(1)不分大小写
(2)每句末尾不必要写分号
(3)程序代码命令间的空格没有意义
(4)不像C,Fortran不使用{ }
(5)数据类型多出了复数和逻辑判断类型。比如复数类型
complex :: a !声明复数的方法。复数显然方便了科学计算,满足了工程方面需求
a=(1.0,2.0) ! a=1+i
(6)多出了乘幂运算(**)。乘幂除了整数还可以是实数形式。如开方,开立方
a=4.0**0.5,a=8.0**(1.0/3.0)
(7)数组有一些整体操作的功能;可以方便的对部分元素进行操作
(8)有些情况下可以声明大小待定的数组,很实用的功能
4、Fortran的基本程序结构
先看一看所谓的"Hello Fortran"程序。
program main !程序开始,main是program的名字,完全自定义
write(*,*) "Hello" !主程序
stop !终止程序
end [program[main]] !end用于封装代码,表示代码编写完毕。[ ]中的内容可省略,下同。
再看一段实用一些的程序,好有点感性认识。程序用于计算圆柱的表面积,要求输入底面
半径和。其中展示了Fortran的一些特色用法。程序摘自维基。其实是一个叫
www.answers.com
的网上引的维基的网页。推荐去看看!能查到不少有意思的东西。
program cylinder !给主函数起个名字
! Calculate the area of a cylinder.
! Declare variables and constants.
! constants=pi
! variables=radius squared and height
implicit none ! Require all variables to be explicitly declared
!这个一般都是要写上的。下面会进一步说明。
integer :: ierr
character :: yn
real :: radius, height, area
real, parameter :: pi = 3.1415926536
!这是常量的声明方法
interactive_loop: do !do循环,Fortran中的循环可以加标签,如d前面的
!interactive_loop就是标签
!    Prompt the user for radius and height

! and read them.

write (*,*) 'Enter radius and height.' !屏幕输出

read (*,*,iostat=ierr) radius,height !键盘输入。isotat的值用判断输入成功否。

! If radius and height could not be read from input,

! then cycle through the loop.

if (ierr /= 0) then

write(*,*) 'Error, invalid input.'

cycle interactive_loop
!cycle 相当于C里的continue

end if

! Compute area. The ** means "raise to a power."

area = 2 * pi * (radius**2 + radius*height) ! 指数运算比C方便

! Write the input variables (radius, height)

! and output (area) to the screen.

write (*,'(1x,a7,f6.2,5x,a7,f6.2,5x,a5,f6.2)') &
!"&"表示续行。这里还显示了格式化输出
'radius=',radius,'height=',height,'area=',area
yn = ' '
yn_loop: do
!内嵌的另一个do循环
write(*,*) 'Perform another calculation? y[n]'
read(*,'(a1)') yn
if (yn=='y' .or. yn=='Y') exit yn_loop
if (yn=='n' .or. yn=='N' .or. yn==' ') exit interactive_loop
end do yn_loop
!结束内嵌do循环
end do interactive_loop
end program cylinder

Fortran程序的主要结构就是这样了。一般还会有些module的部分在主函数前,函数在主函
数后。
 
三、数据类型及基本输入输出
1、数据类型,声明及赋初值
(1)integer: 短整型kind=2, 长整型kind=4
integer([kind=]2) :: a=3
如果声明成integer:: a,则默认为长整型。
!"::" 在声明并同时赋初值时必须要写上;类型名后面有形容词时也必须保留::;其他情况可略去
!所谓形容词,可以看一下这个。比如声明常数
real,parameter :: pi=3.1415926 。parameter就是形容词。
(2)real:单精度kind=4(默认),双精度kind=8
real([kind=]8) :: a=3.0
还有指数的形式,如1E10为单精度,1D10为双精度
(3)complex 单精度和双精度
complex([kind=]4) b
(4)character
character([len=]10) c !len为最大长度
(5)logical
logical*2 :: d=.ture. (等价于logical(2)::d=.ture.)
(6)自定义类型type:类似于C中的struct
Fortran 77中给变量赋初值常用DATA命令,可同时给多个变量赋初值
data a,b,string /1, 2.0, 'fortran'/
与C不同的是,Fortran中变量不声明也能使用,即有默认类型(跟implicit命令有关)。按
照默认的定,以i,j,k,l,m,n开头的变量被定义为integer,其余为real。取消该设置需在程序声明
部分之前implicit none。彭国伦建议一般都使用该语句。
另一点关于声明的不同是Fortran有"等价声明":
integer a,b
equivalence(a,b)

使得a,b使用同一块内存。这样可以节省内存;有时可精简代码。如:equivalence(很长名
字的变量如三维数组的某个元素,a),之后使用a来编写程序就简洁多了。
2、基本输入输出
输入:read(*,*) a !从键盘读入
输出:write(*,*) "text" !在屏幕上输出。Fortran 77用' text'。Fortan 90中一般" "和' '都可
print *,"text" !只能用于屏幕输出
(*,*)完整写为(unit=*,fmt=*)。其中unit为输入/输出位置,如屏幕,文件等;fmt为
格式。如这两项都写成*,则按默认的方式进行,即上面描述的。print后面的*表示按默认格式输
出。
 
四、流程控制
1、运算符
(1)逻辑运算符
== /= > >= < <= !Fortran 90用法
.EQ. .NE. .GT. .GE. .LT. .LE. !Fortran 77用法
(2)涉及相互关系的集合运算符
.AND. .OR. .NOT. .EQV. .NEQV.
! 仅.NOT.连接一个表达式,其余左右两边都要有表达式(可以是logical类型的变量)
!.EQV.:当两边逻辑运算值相同时为真, .NEQV.:当两边逻辑运算值不同时为真
2、IF

(1) 基本 :

if(逻辑判断式) then

……

end if


如果then后面只有一句,可写为

if(逻辑判断式) …… !then和end if可省略

(2) 多重判断:

if(条件1) then

……

else if(条件2)then

……

else if (条件3)then

……

else

……

end if


(3) 嵌套:

if(逻辑判断式) then

if(逻辑判断式) then

if(逻辑判断式) then

else if(逻辑判断式) then

……

else


……

end if

end if

end if


(4) 算术判断:

program example

implicit none

real c

write (*,*) "input a number"

read (*,*) c

if(c) 10,20,30
!10,20和30为行代码,根据c小于/等于/大于0,执行10/20/30行的程

10 write (*,*) "A"

goto 40
!goto可实现跳到任意前面或后面的行代码处,但用多了破坏程序结

20 write (*,*) "B"

goto 40

30 write (*,*) "C"

goto 40

40 stop

end
3、SELECT CASE

类似于C的switch语句

select case(变量)

case(数值1)
! 比如case(1:5)代表1<=变量<=5会执行该模块

…… !case(1,3,5)代表变量等于1或3或5会执行该模块

case(数值2) !括号中数值只能是integer,character或logical型常量,不能real型



case default

……

end case

4、PAUSE, CONTINUE
pause暂停程序执行,按enter可继续执行
continue貌似没什么用处,可用作封装程序的标志
 
五、循环
1、DO
do counter=初值, 终值, 增/减量 !counter的值从初值到终值按增/减量变,
…… !counter每取一个值对应着一次循环。增/减量不写则认为1
……
…… !循环主体也没有必要用{}
……
end do
Fortran 77中不是用end do来终止,而是下面这样子:
do 循环最后一行的行代码 counter=初值, 终值, 增/减量
……
行代码 ……
!这是do的最后一行
2、DO WHILE
do while(逻辑运算)
……
……
end do

类似于C中的while(逻辑运算) {……}。
一开始那个计算圆柱表面积的程序中,应该也算是这一类。不过它是通过内部的if语句来
控制循。看来也是可以的,不过在这本书上没看到这样写。其实应该也可以归于下面这种。
3、没看到和C里面的do{……}while(逻辑运算); 相对应的循环语句,不过可以这样,保证

至少做一循环:

do while(.ture.)

……

……

if(逻辑运算) exit !exit就好比C里面的break。C里的continue在Fortran里是cycle

end do

4、Fortran的一个特色:带署名的循环
可以这样,不易出错:
outer: do i=1,3
inner: do j=1,3
……
end do inner
end do outer

还可以这样,很方便:
loop 1: do i=1,3
loop2: do j=1,3
if(i==3) exit loop1
!exit终止整个循环loop1
if(j==2) cycle loop2 !cycle跳出loop2的本次循环,进行loop2的下次循环
write(*,*) i,j
end do loop2
end do loop1

还有一些循环主要用于Fortran中的数组运算,为Fortran特有,很实用。
 
六、数组
1、数组的声明
和C不同的是,Fortran中的数组元素的索引值写在()内,且高维的也只用一个(),如
integer a(5) !声明一个整型一维数组
real :: b(3,6) !声明一个实型二维数组
类型可以是integer, real, character, logical或type。最高可以到7维。
数组大小必须为常数。但是和C语言不同,Fortran也有办法使用大小可变的数组,方法如:
integer, allocatable :: a(:)
!声明小可变经过某个途径得知所需数组大小size之后,用下面的语句:
allocate(a(size)) !配置内存空间
之后该数组和通过一般方法声明的数组完全相同。
与C不同,Fortran索引值默认为从1开始,而且可以在声明时改变该规则:
integer a(-3:1) ! 索引值为-3,-2,-1,0,1
integer b(2:3,-1:3) !b(2~3,-1~3)为可使用的元素
2、数组在内存中的存放
和C不同,Fortran中的数组比如a(2,2)在内存中存放顺序为a(1,1),a(2,1),a(1,2),a(2,2
)。原则是放低维的元素,再放高维的元素。此规则称为column major。
3、赋初值
(1)最普通的做法:
integer a(5)
data a /1,2,3,4,5/

integer :: a(5)=(/1,2,3,4,5/)
integer :: a(5)=5,则5个元素均为5
对于integer :: a(2,2)=(/1,2,3,4/)
根据数组元素在内存中存放的方式,等价于赋值a(1,1)=1,a(2,1)=2,a(1,2)=3,a(2,2)=4
(2)利用Fortran的特色:隐含式循环。看例子就明白了。
integer a(5)
integer i
data (a(i),i=2,4)/2,3,4/
!(a(i),i=2,4)表示i从2到4循环,增量为默认值1
还可以这样:
integer i
integer :: a(5)=(/1,(2,i=2,4),5/)
!五个元素分别赋值为1,2,2,2,5
integer :: b(5)=(/i, i=1,5/) !五个元素分别赋值为1,2,3,4,
还可以嵌套
data ((a(i,j),i=1,2),j=1,2)=/1,2,3,4/ !a(1,1)=1,1(2,1)=2,a(1,2)=3,a(2,2)=4
4、操作整个数组
设a,b为相同类型、维数和大小的数组
a=5 !所有元素赋值为5
a=(/1,2,3/) !这里假设a为一维,a(1)=1,a(2)=2,a(3)=3
a=b !对应元素赋值,要求a,b,c维数和大小相同,下同
a=b+c
a=b-c
a=b*c
a=b/c
a=sin(b)
!内部函数都可以这样用
5、操作部分数组元素
a为一维数组
a(3:5)=(/3,4,5/) !a(3)=3,a(4)=4,a(5)=5
a(1:5:2)=3 !a(1)=3,a(3)=3,a(5)=3
a(3:)=5 !a(3)以及之后的所有元素赋值为5
a(1:3)=b(4:6) !类似于这种的要求左右数组元素个数相同
a(:)=b(:,2) !a(1)=b(1,2),a(2)=b(2,2),以此类推
6、WHERE
where形式上类似于if,但只用于设置数组。设有两个同样类型、维数和大小的数组a,b
where(a<3)
b=a
!a中小于3的元素赋值给b对应位置的元素
end where
再如:where(a(1:3)/=0) c=a !略去了end where,因为只跟了一行where可嵌,也
!可类似do循环有署名标签。
7、FORALL
有点像C中的for循环:
forall(triplet1[,triplet2 [,triplet3…]],mask)
其中triplet形如i=2:6:2,表示循环,最后一个数字省略则增量为1
例如:
forall(i=1:5,j=1:5,a(i,j)<10)
a(i,j)=1
end forall

又如: forall(i=1:5,j=1:5,a(i,j)/=0) a(i,j)=1/a(i,j)
forall也可以嵌套使用,好比C中for循环的嵌套。
 
七、函数
Fortran中函数分两类:子程序(subroutine)和自定义函数(function)。自定义函数本
质上就是学上的函数,一般要传递自变量给自定义函数,返回函数值。子程序不一定是这样,可
以没有返值。传递参数要注意类型的对应,这跟C是一样的。
1、子程序
目的:把某一段经常使用的有特定功能的程序独立出来,可以方便调用。
习惯上一般都把子程序放在主程序结束之后。
形式:
subroutine name (parameter1, parameter2)
!给子程序起一个有意义的名字。可以传递参数,这样可以有返回值。括号内也可以
空着,代不传递参数。
implicit none
integer:: parameter1, parameter2
!需要定义一下接收参数的类型。
…… !接下来的程序编写跟主程序没有任何别。
……
mreturn !跟C不同,这里表示子程序执行后回到调用它的地方继续执行下面的程序。不一定放
!在最后。可以放在子程序的其他位置,作用相同;子程序中return之后的部分不执行。
end [subroutine name]
调用:使用call命令直接使用,不需要声明。在调用处写:
call subroutine name(parameter1,parameter2)
注意点:
a.子程序之间也可相互调用。直接调用就是了,像在主程序中调用子程序一样。
b.传递参数的原理和C中不同。Fortran里是传址调用(call by address/reference),就是
传递时用参数和子程序中接收时用的参数使用同一个地址,尽管命名可以不同。这样如果子程序
的执行改子程序中接收参数的值,所传递的参数也相应发生变化。
c.子程序各自内部定义的变量具有独立性,类似于C。各自的行代码也具有独立性。因此各
个子程序主程序中有相同的变量名、行代码号,并不会相互影响。
2、自定义函数
和子程序的明显不同在于:需要在主程序中声明之后才能使用。调用方式也有差别。另外
按照惯例用函数不去改变自变量的值。如果要改变传递参数的值,习惯上用子程序来做。
声明方式:real, external :: function_name
一般自定义函数也是放在主程序之后。
形式:
function function_name(parameter1, parameter2)
implicit none
real:: parameter1, parameter2
!声明函数参数类型,这是必需的
real::function_name !声明函数返回值类型,这是必需的
……
……
function_name=….
!返回值的表达式
return
end

也可以这样直接声明返回值类型,简洁些:
real function function_name(parameter1, parameter2)
implicit none
real:: parameter1, parameter2
!这个还是必需的
……
……
function_name=….
!返回值表达式
return
end

调用:function_name(parameter1,parameter2)
不需要call命令。
自定义函数可以相互调用。调用时也需要事先声明。
总之,调用自定义函数前需要做声明,调用子程序则不需要。
3、关于函数中的变量
(1)注意类型的对应。Fortran中甚至可以传递数值常量,但只有跟函数定义的参数类型
对应才会到想要的结果。如call ShowReal(1.0)就必须用1.0而不是1。
(2)传递数组参数,也跟C一样是传地址,不过不一定是数组首地址,而可以是数组某个
指定元素地址。比如有数组a(5),调用call function(a)则传递a(1)的地址,调用call functio
n(a(3))则递a(3)的地址。
(3)多维数组作为函数参数,跟C相反的是,最后一维的大小可以不写,其他维大小必须
写。这决于Fortran中数组元素column major的存放方式。
(4)在函数中,如果数组是接收用的参数,则在声明时可以用变量赋值它的大小,甚至可
以不指定小。例如:
subroutine Array(num,size)
implicit none
integer:: size
integer num(size)
!可以定义一个数组,其大小是通过传递过来的参数决定的。这很实用
……
……
return
end

(5)save命令:将函数中的变量值在调用之后保留下来,下次调用此函数时该变量的值就
是上次保的值。只要在定义时加上save就行:
integer, save :: a=1
(6)传递函数(包括自定义函数、库函数、子程序都是可以的)。类似于C中的函数指针需要在
主程序和调用函数的函数中都声明作为参数传递的函数。如
real, external :: function !自定义函数
real, intrinsic :: sin !库函数
external sub !子程序
(7)函数使用接口(interface):一段程序模块。以下情况必需:
a.函数返回值为数组
b.指定参数位置来传递参数时
c.所调用的函数参数个数不固定
d.输入指标参数时
e.函数返回值为指针时。
具体用法结合例子容易看懂。例子都很长。看书吧。
4、全局变量

功能就不用说了。原理:根据声明时的相对位置关系而取用,不同与C中根据变量名使用。

如果在主程序中定义:

integer :: a,b

common a,b
!就是这样定义全局变量的

在子程序或自定义函数中定义:

integer :: c,d

common c,d


则a和c共用相同内存,b和d共用相同内存。

全局变量太多时会很麻烦。可以把它们人为归类,只需在定义时在common后面加上区间名

。如

common /groupe1/ a, common /group2/ b。这样使用时就不必把所有全局变量

都列出来,再声明common /groupe1/ c就可以用a、c全局变量了。

可以使用block data程序模块。在主程序和函数中不能直接使用前面提到的data命令给全

局变量赋初值。可以给它们各自赋初值;如果要使用data命令必须要这样:

block data [name]

implicit none

integer a,b,c

real d,e

common a b c

common /group1/ d,e

data a,b,c,d,e /1,2,3,4.0,5.0/

end [block data [name]]

5、Module
Module不是函数。它用于封装程序模块,一般是把具有相关功能的函数及变量封装在一起
。用法很单,但能提供很多方便,使程序变得简洁,比如使用全局变量不必每次都声明一长串,
写在odule里调用就行了。Module一般写在主程序开始之前。
形式:

module module_name
……
……
end [module [module_name]]

使用:在主程序或函数中使用时,需要在声明之前先写上一行:use module_name.
Module中有函数时必须在contains命令之后(即在某一行写上contains然后下
面开始写数,多所有函数都写在这个contains之后)。并且module中定义过的变量在module里的
函数中可直接使用,函数之间也可以直接相互调用,连module中的自定义函数在被调用时也不用
先声明。
6、include放在需要的任何地方,插入另外的文件(必须在同一目录下)。如:

include 'funcion.f90'
 

八、文件
1、文本文件
Fortran里有两种读取文件的方式,对应于两种文件
顺序读取:用于文本文件
直接读取:用于二进制文件
这里只摘录关于文本文件的读取。一般模式如下。
character(len=20)::filenamein="in.txt", filenameout="out.txt" !文件名
logical alive
integer::fileidin=10,fileidout=20

!10,20是给文件编的号,除1,2,5,6的正整数都可,因为2、6是默认的输出位置(屏幕
),1、5是默认的输入位置(键盘)
integer::error
real::in,out

!下面这一段用于确认指定名字的文件是否存在
inquire(file=filenamein, exist=alive) !如果存在,alive赋值为0
if(.NOT. alive) then
write(*,*) trim(filenamein), " doesn't exist."
!trim用于删去filenamein中字串
!后面的stop多余空格,输出时好看些
end if
open([unit=]fileidin, file=filenamein, status="old")
open([unit=]fileidout,file=filenameout[,status="new"])

!unit指定输入/输出的位置。打开已有文件一定要用status="old";打开新文件用status="new";
!不指定status,则默认status="unknown",覆盖已有文件或打开新文件……
read([unit=]fileidin, [fmt=]100,iostat=error )in !error=0表示正确读入数据。
100 format(1X,F6.3)
!按一定格式输入输出,格式可以另外写并指定行代码,也可以直接写在read/write中
write(([unit=]fileidout, "(1X,F6.3)")out
close(fileidin)
close(fileidout)

!1X代表一个空格。F6.3代表real型数据用占6个字符(含小数点),其中小数点后三位。
!常用的还有I3,用于整型数据,共占三个字符;A8,字符型,占8个字符。换行用 /
二进制文件的读取有所不同。不再列举。
2、内部文件
另一个很实用的读写功能是内部文件(internal file)。看看这个例子就明白了。
integer::a=1,b=2
character(len=20)::string
write(unit=string,fmt="(I2,'+',I2,'=',I2)")a,b,a+b
write(*,*)string

则结果输出1+2=3。反过来也是可以的:
integer a
character(len=20)::string="123"
read(string,*)a
write(*,*)a

则输出123。
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