Fortran 程序基礎(chǔ)【谷風(fēng)詳析】

1、Fortran 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ),金鑫 2010.8.6,1,特制分析,Contents,2,特制分析,Fortran語言簡介 作為一門誕生于上個(gè)世紀(jì)50年代后半期的高級(jí)計(jì)算機(jī)語言，F(xiàn)ortran在這個(gè)C/C+、Java等新興語言大行其道的時(shí)代仍然活躍在人們的視野之中。Fortran語言的長項(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)語言的自然性方面，F(xiàn)ortran同現(xiàn)存的其他高級(jí)語言相比有著明顯的優(yōu)勢。對(duì)于科研工作者和工程技術(shù)人員而言，F(xiàn)ortran語言的易學(xué)性和易用性是公認(rèn)的。,Fortran語言基礎(chǔ)知識(shí),3,特制分析,1954：IBM 在 IBM 704 上發(fā)展 195

2、7：IBM發(fā)表，F(xiàn)ortran Formula Translator 1966：American Standards Association制定 Fortran 66 鑒于各家編譯器無法相容，故統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) American Standards Association:美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(ANSI)的前身 1978：ANSI 公布 Fortran 77 標(biāo)準(zhǔn) 刪去部分內(nèi)容，新增邏輯與輸入輸出方面的功能 1992：國際標(biāo)準(zhǔn)組織 ISO 公布 Fortran 90 標(biāo)準(zhǔn) 與 77 版本差異較大 加入物件導(dǎo)向、提供指針與加強(qiáng)陣列功能、自由格式寫作 1997：國際標(biāo)準(zhǔn)組織 ISO 公布 Fortran 95

3、標(biāo)準(zhǔn) 加強(qiáng)并行運(yùn)算 Fortran 200 x,Fortran 發(fā)展歷史,4,特制分析,Compaq Visual Fortran 6.5,Fortran 編譯器Compaq Visual Fortran,5,特制分析,固定格式（Fortran77，后綴.f；.for） 自由格式（Fortran90，后綴.f90）,Fortran語言的書寫格式,6,特制分析,在Fortran語言中，有五種基本的數(shù)據(jù)類型可供使用。他們分別是整型（INTEGER）、實(shí)型（REAL）、復(fù)型（COMPLEX）、字符型（CHARACTER）和邏輯型（LOGICAL） 對(duì)我們來說常用的數(shù)據(jù)類型為整型、實(shí)型、字符型 各數(shù)據(jù)

4、分類分別包括常量及變量,數(shù)據(jù)類型及I/0格式,7,特制分析,變量名的作用是識(shí)別程序中的變量。Fortran中的變量名命名有一定的規(guī)則，主要有以下幾條。 變量名中只能包含26個(gè)英文字母和09十個(gè)數(shù)字；在Fortran90/95標(biāo)準(zhǔn)中，還允許使用下劃線“_”。 變量名的第一個(gè)字符必須是字母，不能是下劃線“_”或數(shù)字。 在Fortran77標(biāo)準(zhǔn)中，變量名不允許超過6個(gè)字符；在Fortran90/95標(biāo)準(zhǔn)中，變量名不允許超過31個(gè)字符。,數(shù)據(jù)類型及I/0格式,8,特制分析,變量的定義及類型說明： （1）類型說明語句 integer year, month, day real runoff charac

5、ter*10 station （2）隱含約定 IN 規(guī)則,數(shù)據(jù)類型及I/0格式,9,特制分析,輸入、輸出語句 READ(設(shè)備號(hào), 格式說明或格式說明語句標(biāo)號(hào)) 變量列表 WRITE (設(shè)備號(hào), 格式說明或格式說明語句標(biāo)號(hào)) 變量列表 READ，WRITE語句中當(dāng)設(shè)備號(hào)為星號(hào)“*”時(shí)，表示從默認(rèn)的設(shè)備輸入輸出；格式說明為星號(hào)“*”表示表控格式輸入、輸出；輸入、輸出項(xiàng)可以有多個(gè)，每個(gè)輸出項(xiàng)之間用逗號(hào)“,”分隔；當(dāng)語句中沒有輸出項(xiàng)時(shí)，命令將輸出一個(gè)空白行。 表控格式輸入、輸出 格式輸入、輸出,數(shù)據(jù)類型及I/0格式,10,特制分析,格式輸入輸出控制符 常用控制符 i，f，a 寫法： nIw；nfw.d

6、； naw 如： integer year, month, day write(*, (3i8) year, month, day 又如： real runoff write (*, (f9.2) runoff,數(shù)據(jù)類型及I/0格式,11,特制分析,格式說明語句 format 寫法：FORMAT (format-list) 如： integer year, month, day write(*, 15）year, month, day 15 format（3i8）,數(shù)據(jù)類型及I/0格式,12,特制分析,Fortran 三種常用運(yùn)算 算數(shù)運(yùn)算：算數(shù)運(yùn)算符及算數(shù)表達(dá)式 關(guān)系運(yùn)算：關(guān)系運(yùn)算符及關(guān)系表

7、達(dá)式 邏輯運(yùn)算：邏輯運(yùn)算符及邏輯表達(dá)式 其中，算數(shù)運(yùn)算是Fortran的基本運(yùn)算，其基本運(yùn)算符包括+，-，*，/，*,Fortran語法結(jié)構(gòu),13,特制分析,Fortran語法結(jié)構(gòu),關(guān)系運(yùn)算 在實(shí)際的數(shù)學(xué)或工程問題中，經(jīng)常會(huì)遇到比較兩個(gè)數(shù)據(jù)誰大誰小的問題。這就是一個(gè)關(guān)系比較的問題。在Fortran中，提供了進(jìn)行這類操作的運(yùn)算符和表達(dá)式規(guī)則。 關(guān)系運(yùn)算符也可以稱作關(guān)系比較符，它是一個(gè)雙目運(yùn)算符。Fortran中定義了六個(gè)基本的關(guān)系運(yùn)算符,14,特制分析,Fortran語法結(jié)構(gòu),關(guān)系表達(dá)式是最簡單的一種邏輯表達(dá)式，它的一般形式為： 關(guān)系運(yùn)算量可以是算術(shù)量，也可以是字符量。算術(shù)量可以是數(shù)值型常量、數(shù)

8、值型變量、數(shù)值函數(shù)，還可以是算術(shù)表達(dá)式。如： A+B3.5 等價(jià)于A+B.GT.3.5 40=40 等價(jià)于40.GE.40 40C 等價(jià)于40.LT.C COS(B)=0.5 等價(jià)于COS(B).LE.0.5 (M+N)*X=0.0 等價(jià)于(M+N)*X.EQ.0.0 X-Z.NE.(Y+X) 等價(jià)于 X-Z.NE.(Y+X) 關(guān)系運(yùn)算符等級(jí)低于算數(shù)運(yùn)算符,15,特制分析,Fortran語法結(jié)構(gòu),邏輯運(yùn)算 Fortran語言中提供了5種邏輯運(yùn)算符供程序員在編程時(shí)使用。新舊Fortran標(biāo)準(zhǔn)中的邏輯運(yùn)算符沒有任何區(qū)別，每個(gè)運(yùn)算符的左右兩側(cè)都有一點(diǎn)“.”，書寫時(shí)不可以省略。邏輯運(yùn)算符中有的是雙目運(yùn)

9、算符，有的是單目運(yùn)算符，使用中需要注意。,16,特制分析,Fortran語法結(jié)構(gòu),邏輯表達(dá)式的一般形式為： 同關(guān)系表達(dá)式不同，一個(gè)邏輯表達(dá)式中可以包括多個(gè)邏輯運(yùn)算符，例如邏輯表達(dá)式“A.GE.10.0.AND.A+C.GT.B+D.OR.NOT.TRUE.”中包含了.AND.、.OR.、.NOT.三個(gè)邏輯運(yùn)算符。在邏輯表達(dá)式中除了有邏輯運(yùn)算符外，還可以有關(guān)系運(yùn)算符和算術(shù)運(yùn)算符。 下面是一些邏輯表達(dá)式的例子： (A.GT.B).AND.(A.NE.C)等價(jià)于(AB).AND.(A/=C) (X.LT.-1.0).OR.(X.GT.1.0)等價(jià)于(X1.0) .NOT.(A+C)*D.LE.0.0

10、)等價(jià)于.NOT.(A+C)*DB).EQV.(C=D),17,特制分析,Fortran語法結(jié)構(gòu),在上面的一系列例子中，有的邏輯表達(dá)式中既有邏輯運(yùn)算符，又有關(guān)系運(yùn)算符和算術(shù)運(yùn)算符。對(duì)于這種混合了多種運(yùn)算符的表達(dá)式，F(xiàn)ortran語言規(guī)定了不同運(yùn)算符的運(yùn)算順序： 首先計(jì)算算術(shù)表達(dá)式的值（例如前面一個(gè)范例中的A+C和B+D）。 接下來再求關(guān)系表達(dá)式的值（例如前面一個(gè)范例中的A.LE.10.0和A+C.GT.B+D）。 最后進(jìn)行邏輯運(yùn)算，各個(gè)邏輯運(yùn)算符的先后順序是：.NOT.AND.OR.EQV.=.NEQV.。 如果邏輯表達(dá)式中有括號(hào)，則先進(jìn)行括號(hào)內(nèi)的運(yùn)算。,18,特制分析,程序流程控制的常用語句

11、結(jié)構(gòu) 判斷If語句 goto語句 塊if結(jié)構(gòu) do循環(huán)結(jié)構(gòu) 常用結(jié)構(gòu) 選擇結(jié)構(gòu) 循環(huán)結(jié)構(gòu),Fortran程序流程控制,19,特制分析,If語句 IF(邏輯表達(dá)式) 執(zhí)行語句 塊If結(jié)構(gòu) IF(邏輯表達(dá)式1) THEN THEN 塊 ELSE IF(邏輯表達(dá)式2) THEN ELSE IF塊 ELSE ELSE塊 END IF,Fortran程序流程控制,20,特制分析,goto 語句 goto 語句標(biāo)號(hào) do循環(huán)語句 DO 循環(huán)變量 = 循環(huán)初值，循環(huán)終值，循環(huán)增量 循環(huán)體 ENDDO 當(dāng)循環(huán)增量為1時(shí)，可省略,Fortran程序流程控制,21,特制分析,選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 塊IF語句 多層嵌套塊I

12、F語句 循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) “當(dāng)”型循環(huán) “直到”型循環(huán) 其他程序控制語句 End Pause stop,Fortran程序流程控制,22,特制分析,實(shí)例分析 （1）1100求和 （2）輸入5個(gè)數(shù)，按大小排序,Fortran程序流程控制,23,特制分析,數(shù)組是Fortran語言中功能最為強(qiáng)大、運(yùn)用最為靈活的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上，數(shù)組占用一片連續(xù)的存儲(chǔ)單元。程序中通過數(shù)組索引來對(duì)數(shù)組元素、片斷進(jìn)行操作。 數(shù)組的基本操作 數(shù)組的定義 數(shù)組的引用 數(shù)組的賦值 數(shù)組的計(jì)算 數(shù)組的輸入輸出,數(shù)組操作,24,特制分析,數(shù)組的定義 類型說明 : 數(shù)組名(下標(biāo)下界：下標(biāo)上界，)， 如 real runoff（

13、365） real runoff（12，31） real runoff（1：12，1：31） 數(shù)組下標(biāo)下界缺省時(shí)，值為1 數(shù)組可用DIMENSION語句定義 DIMENSION runoff（365） Real runoff 使用數(shù)組必須先定義,數(shù)組操作,25,特制分析,數(shù)組引用 （1）引用數(shù)組元素 數(shù)組名(下標(biāo)），如 runoff（15），rain（3，5） （2）引用全部數(shù)組 數(shù)組名，如： real B（10），A（10） B=A （3）引用數(shù)組片段 數(shù)組名(下標(biāo)范圍),數(shù)組操作,26,特制分析,PROGRAM TEST IMPLICIT NONE ! 變量定義 REAL : A1, A2

14、,A3,A4,A5,B(5,5) READ(*, *)A1,A2,A3,A4,A5 ! 數(shù)組片斷的引用 B(1,1:5) = A1 B(2,1:5) = A2 B(3,1:5) = A3 B(4,1:5) = A4 B(5,1:5) = A5 END PROGRAM TEST,數(shù)組操作,27,特制分析,數(shù)組賦值 （1）賦值語句 數(shù)組對(duì)象 = value （2）data語句（賦初始值） data days/31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31/ （3）do循環(huán) do i=1,12 do j=1,31 runoff(i,j)=0 enddo enddo,數(shù)組操作,

15、28,特制分析,數(shù)組的運(yùn)算包括數(shù)組之間的運(yùn)算及數(shù)組元素之間的運(yùn)算 數(shù)組的運(yùn)算，如數(shù)組間的數(shù)學(xué)運(yùn)算（+，-，*，/，*）,數(shù)組的合并、轉(zhuǎn)置運(yùn)算等，直接以數(shù)組為操作對(duì)象。 數(shù)組元素之間的運(yùn)算多通過循環(huán)語句進(jìn)行,數(shù)組操作,29,特制分析,數(shù)組的輸入輸出 數(shù)組的輸入輸出多通過do循環(huán)語句或隱式do循環(huán)語句進(jìn)行 如 do i=1,12 do j=1,days(i) write(*,*)runoff(i,j) enddo enddo 又可寫成 do i=1,12 write(*,*)(runoff(i,j),j=1,days(i) enddo,數(shù)組操作,30,特制分析,一個(gè)Fortran程序中通常不是只由

16、一個(gè)主程序組成，而是由幾個(gè)按某種方式劃分的不同程序單元來共同組成。盡管Fortran程序中允許只有主程序而沒有子程序，但絕不允許只有子程序而沒有主程序。在Fortran中，程序的執(zhí)行總是從主程序開始的。程序可以有一個(gè)或多個(gè)子程序。 函數(shù)子程序（ FUNCTION ） 子例行子程序（SUBRIOUTINE） 各子程序間的數(shù)據(jù)傳遞,子程序及模塊化,31,特制分析,子程序及模塊化,函數(shù)子程序和子例行子程序是子程序的兩種常用基本形式。它們的共同特征就是作為數(shù)據(jù)處理過程的集合。但是這兩種子程序也不完全相同，函數(shù)子程序會(huì)返回一個(gè)函數(shù)值，且通常不會(huì)改變啞元的數(shù)值。因此，函數(shù)子程序更像是數(shù)學(xué)上的一個(gè)函數(shù)。而子

17、例行子程序通常用于完成一項(xiàng)更為復(fù)雜的任務(wù)，通過啞元或者其他手段返回幾個(gè)結(jié)果，啞元的數(shù)值通常會(huì)在程序的執(zhí)行過程中改變。,32,特制分析,子程序及模塊化,函數(shù)子程序的一般形式為： prefix FUNCTION name (d-arg-list) RESULT (r-name) . END FUNCTION name 1prefix說明項(xiàng) prefix說明項(xiàng)是一個(gè)可選參數(shù)，可以使用如下兩種形式來書寫： type keyword 或 keyword type 2d-arg-list d-arg-list表示函數(shù)的啞元列表。如果函數(shù)子程序不包含啞元，則啞元列表可以省略，但是函數(shù)名后的括號(hào)不能省略。 3

18、RESULT關(guān)鍵字 RESULT關(guān)鍵字用于聲明將函數(shù)的返回值保存在其后的變量名中，稱為函數(shù)結(jié)果名。,33,特制分析,子程序及模塊化,函數(shù)子程序的調(diào)用與內(nèi)在函數(shù)的調(diào)用形式一樣。在主調(diào)程序的任意位置，可以通過下面的語句形式將函數(shù)子程序的計(jì)算結(jié)果賦值給變量： V = 函數(shù)名(實(shí)元表) 其中，V表示用于接收函數(shù)計(jì)算結(jié)果的變量；實(shí)元表是程序中實(shí)際傳入函數(shù)子程序的變量列表，除非有特殊說明，變量列表中的實(shí)元個(gè)數(shù)以及類型必須與函數(shù)子程序定義時(shí)的虛參在個(gè)數(shù)和類型上一致。如果函數(shù)不包含啞元，則調(diào)用形式是在表達(dá)式中直接寫上函數(shù)名再跟空括號(hào)即可： V = 函數(shù)名(),34,特制分析,子程序及模塊化,子例行子程序同函數(shù)

19、子程序非常相似，但是子例行子程序不會(huì)有返回值。這種形式的子程序是以SUBROURTINE語句開始，END語句結(jié)束的過程。其一般語法形式如下： 前綴 SUBROUTINE子程序名 (啞元列表) END SUBROUTINE子程序名 程序調(diào)用 call 子程序名,35,特制分析,各子程序間的數(shù)據(jù)傳遞 （1）虛實(shí)結(jié)合 （2）common語句 （3）數(shù)據(jù)定義模塊 Common語句（公共區(qū)語句）一般形式 Common /公共區(qū)名稱/變量表,子程序及模塊化,36,特制分析,在前面的說明中，大部分的程序在運(yùn)行時(shí)，總是從鍵盤上輸入數(shù)據(jù)，程序的輸出也幾乎總是顯示在計(jì)算屏幕上。對(duì)于一些小程序，輸入的數(shù)據(jù)不多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，采用這種方式是可行的。但是，對(duì)于一些大型的應(yīng)用程序（如WEP模型等）涉及到幾百兆甚至上G的數(shù)據(jù)輸入與輸出。在這種情況下，如果仍然采用終端輸入輸出的方式就很難想象了。另一方面，使用終端輸入輸出方式時(shí)，程序在運(yùn)行中可以通過屏幕查看到輸出的結(jié)果，一旦退出程序，此時(shí)要想再次查看輸出的結(jié)果就很困難了，除非再次運(yùn)行程序。使用文件就可以避免上述問題，同時(shí)文件還能避免重復(fù)處理，保存起來也很方