chapFortran程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、Fortran 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院徐 華E-mail: Tel:ffice: 科技樓211 Fortran 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（Fortran Language Programming） 學(xué)學(xué) 時(shí)：時(shí)：56學(xué)時(shí)（其中：理論學(xué)時(shí)（其中：理論40學(xué)時(shí)，上機(jī)學(xué)時(shí)，上機(jī)16學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 先修課程：先修課程：高等數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ) 教教 材：材：FORTRAN語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 薛勝軍、耿煥編著，氣象出版社薛勝軍、耿煥編著，氣象出版社目的要求目的要求1. 會(huì)會(huì)讀：讀：讀科技資料中的讀科技資料中的Fortran語(yǔ)言語(yǔ)言程

2、序程序2. 會(huì)畫(huà)：會(huì)畫(huà)：畫(huà)算法結(jié)構(gòu)流程圖畫(huà)算法結(jié)構(gòu)流程圖(N-S圖圖)3. 會(huì)編：會(huì)編：用用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)程序語(yǔ)言編寫(xiě)程序4. 會(huì)調(diào)：會(huì)調(diào)：上機(jī)調(diào)試程序，得出正確結(jié)上機(jī)調(diào)試程序，得出正確結(jié)果果成成 績(jī)績(jī) 期末考試成績(jī)期末考試成績(jī)（50%） + 平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī)（40%） + 上機(jī)考試上機(jī)考試（10%） 平時(shí)成績(jī)構(gòu)成：平時(shí)成績(jī)構(gòu)成： 7次實(shí)習(xí)報(bào)告 + N次隨堂點(diǎn)名 隨機(jī)加分第一章第一章 Fortran程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.2 程序設(shè)計(jì)方法及算法程序設(shè)計(jì)方法及算法1.3 Fortran語(yǔ)言簡(jiǎn)介語(yǔ)言簡(jiǎn)介1.4 Fortran90程序的基本結(jié)構(gòu)程序的基本結(jié)

3、構(gòu)及書(shū)寫(xiě)格式及書(shū)寫(xiě)格式1.5 Fortran90開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境 程序：程序： 一般意義：解決某個(gè)實(shí)際問(wèn)題的方法和步驟 程序程序（Program）是指用某一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)的、）是指用某一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)的、執(zhí)行后能完成某種特定功能的代碼序列。執(zhí)行后能完成某種特定功能的代碼序列。 程序描述內(nèi)容(Niklaus)： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（組織及存儲(chǔ)方式）+ 算法（處理規(guī)則）1.1 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 程序設(shè)計(jì)：程序設(shè)計(jì)： 簡(jiǎn)單講，就是編寫(xiě)一個(gè)程序。但實(shí)際上其中包含了利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一個(gè)完整的、復(fù)雜的過(guò)程。 Step 1 分析問(wèn)題，確定數(shù)學(xué)模型或方法分析問(wèn)題，確定數(shù)學(xué)模型或方法 Step 2 設(shè)計(jì)算

4、法，繪制流程圖設(shè)計(jì)算法，繪制流程圖 Step 3 選擇程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，按算法編寫(xiě)程序選擇程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，按算法編寫(xiě)程序 Step 4 調(diào)試程序，分析計(jì)算結(jié)果調(diào)試程序，分析計(jì)算結(jié)果 Step 5 運(yùn)行程序，得到正確的計(jì)算結(jié)果運(yùn)行程序，得到正確的計(jì)算結(jié)果數(shù)理、邏輯思維1.2 程序設(shè)計(jì)方法及算法程序設(shè)計(jì)方法及算法 程序設(shè)計(jì)的方法主要可以分為兩大類(lèi)：結(jié)構(gòu)化程結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是20世紀(jì)60年代以來(lái)被普遍采用的一種方法，它采用“自頂向下、逐步求精”的基本思想進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。一、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)一、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)自頂向下自頂向下：將要解決的一個(gè)大且復(fù)雜的問(wèn)題分

5、解成多個(gè)相互獨(dú)立的、較為簡(jiǎn)單而易于解決的子問(wèn)題（分層）；逐步求精：逐步求精：將每一個(gè)子問(wèn)題用一個(gè)模塊來(lái)描述，再把每個(gè)程序模塊的功能逐步分解細(xì)化為一系列具體的、可操作的步驟，并能夠用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的基本語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)； 模塊化：將大程序按照功能分為較小的程序。最后，將各個(gè)模塊組合起來(lái)，并且各個(gè)功能模塊之間只有一個(gè)入口也只有一個(gè)出口，模塊中及整個(gè)程序中的每一部分都有機(jī)會(huì)被執(zhí)行、某些部分會(huì)被執(zhí)行多次但不會(huì)無(wú)休止地永遠(yuǎn)執(zhí)行下去。 這就是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想與方法，采用這種方法設(shè)計(jì)的程序就稱(chēng)為結(jié)構(gòu)化程序結(jié)構(gòu)化程序。例如，計(jì)算某天的平均溫度。子問(wèn)題1：提供觀測(cè)資料（溫度）子問(wèn)題2：計(jì)算平均值子問(wèn)題3：顯示結(jié)果輸入

6、數(shù)據(jù)、讀取氣象資料庫(kù)累加各觀測(cè)時(shí)次的溫度并除以觀測(cè)次數(shù)按規(guī)定格式顯示或打印計(jì)算結(jié)果輸入模塊計(jì)算模塊輸出模塊 一般地，一個(gè)程序程序中包含一個(gè)且只能包含一個(gè)且只能包含一個(gè)一個(gè)主控模塊主控模塊（也稱(chēng)作主程序主程序），還可以有零個(gè)、一個(gè)有零個(gè)、一個(gè)或多個(gè)子模塊或多個(gè)子模塊。子模塊可以被多次使用。子模塊還可以調(diào)用其它子模塊，從而構(gòu)成功能更強(qiáng)大的程序。二、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)二、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是根據(jù)解決問(wèn)題的過(guò)程來(lái)逐步求解、展開(kāi)的。以解決問(wèn)題的過(guò)程為程序的工作流程，解決問(wèn)題的操作過(guò)程是程序設(shè)計(jì)的主體，操作過(guò)程處理的數(shù)據(jù)是次要的，并往往與程序分離開(kāi)來(lái)。這是面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)。 結(jié)構(gòu)化

7、程序以人為運(yùn)行程序?yàn)槠瘘c(diǎn)，按照程序設(shè)計(jì)流程自上而下逐步執(zhí)行，直到計(jì)算完成后結(jié)束。中間的操作過(guò)程幾乎沒(méi)有隨機(jī)性變化，完全按照設(shè)計(jì)時(shí)想好的過(guò)程（流程）來(lái)進(jìn)行。 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中以“對(duì)象對(duì)象”為程序的主體主體，以“消息（事件）消息（事件）”為程序的觸發(fā)機(jī)制觸發(fā)機(jī)制，操作過(guò)程中所涉及的數(shù)據(jù)與操作指令數(shù)據(jù)與操作指令捆綁在一起被封封裝在裝在“對(duì)象對(duì)象”中中。 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因?yàn)樵趯?duì)象內(nèi)部的代碼處理上，往往還要使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 因此，本課程本課程中我們以基本的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法法的學(xué)習(xí)為主，在此基礎(chǔ)上，可以比較容易地轉(zhuǎn)換到面向?qū)?/p>

8、象的程序設(shè)計(jì)中去（Fortran95已經(jīng)全面支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)了?。＠樱何遄悠宄绦蛎嫦蜻^(guò)程程序設(shè)計(jì)思路：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思路：1、開(kāi)始游戲，2、黑子先走，3、繪制畫(huà)面，4、判斷輸贏，5、輪到白子，6、繪制畫(huà)面，7、判斷輸贏，8、返回步驟2，9、輸出最后結(jié)果。把上面每個(gè)步驟用分別的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，問(wèn)題就解決了整個(gè)五子棋可以分為 第一類(lèi)對(duì)象（玩家對(duì)象）負(fù)責(zé)接受用戶輸入，并告知第二類(lèi)對(duì)象（棋盤(pán)對(duì)象）棋子布局的變化，棋盤(pán)對(duì)象接收到了棋子的變化就要負(fù)責(zé)在屏幕上面顯示出這種變化，同時(shí)利用第三類(lèi)對(duì)象（規(guī)則系統(tǒng)）來(lái)對(duì)棋局進(jìn)行判定?？梢悦黠@地看出，面向?qū)ο笫敲嫦驅(qū)ο笫且怨δ芄δ軄?lái)劃分問(wèn)題，而不是步驟。功能上

9、的統(tǒng)一保證了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性。五子棋圍棋 算法算法，就是解決問(wèn)題的方法與步驟。 設(shè)計(jì)任何程序，都要采用一定的算法。即程序設(shè)計(jì)依賴(lài)于算法，解決同樣一個(gè)問(wèn)題，算法不同，設(shè)計(jì)的程序也就不同。因此，設(shè)計(jì)程序前，要確定一個(gè)比較好的算法，這樣才有利于設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的程序。 算法的描述算法的描述可以采用自然語(yǔ)言、一般流程圖、N-S流程圖，偽代碼描述等多種方法。三、算法三、算法四、算法的描述四、算法的描述例1：求 其中 xyuxy2222,ab abxab ab,4,abababyabab 算法描述：（1）從鍵盤(pán)輸入a, b的值（2）如果 則 否則（3）計(jì)算（4）輸出u的值22xababyabab

10、22xab4yabxyuxy自然語(yǔ)言缺點(diǎn)：不直觀；不簡(jiǎn)潔；容易產(chǎn)生二義性 為了更加清楚、準(zhǔn)確的表示算法，常采用簡(jiǎn)單明了的圖形符號(hào)來(lái)表示-一般流程圖一般流程圖例2：輸入10個(gè)數(shù)，找出其中的最大數(shù)一般流程圖描述算法一般流程圖描述算法缺點(diǎn)：對(duì)流程線沒(méi)有限制，沒(méi)有規(guī)律，問(wèn)題比較復(fù)雜時(shí)容易亂，可讀性差NN輸入max1 ii9?輸入xxmax?xmaxi+1i輸出maxYY開(kāi)始結(jié)束例2：輸入10個(gè)數(shù)，找出其中的最大數(shù)輸入x1,x2x10Yx1x2 ?Nx1x3 ?x2x3 ?YNx1x4 ?x3x4 ?YNx1x4 ?x3x4 ?。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的3種基本結(jié)構(gòu)(Corrado & Giuseppe

11、)：順序結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)A塊B塊條件滿足不滿足A塊B塊條件滿足A塊不滿足順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)（當(dāng)型）循環(huán)結(jié)構(gòu)（當(dāng)型）（直到型略，先執(zhí)行循（直到型略，先執(zhí)行循環(huán)體后判斷）環(huán)體后判斷）N-S(Nassi & Shneiderman)流程圖描述算法流程圖描述算法結(jié)構(gòu)化流程圖三種基本結(jié)構(gòu)自上而下依次按順序執(zhí)行A塊B塊順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)A塊B塊條件滿足不滿足選擇結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)當(dāng)條件滿足時(shí)A塊循環(huán)結(jié)構(gòu)（當(dāng)型）循環(huán)結(jié)構(gòu)（當(dāng)型）A塊直到條件滿足時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)（直到型）循環(huán)結(jié)構(gòu)（直到型）例2：輸入10個(gè)數(shù)，找出其中的最大數(shù)輸入max1 ii9?輸入xxma

12、x?xmaxi+1i輸出maxNNY輸入max1 i輸出max當(dāng)i9時(shí)輸入xxmax?YNxmaxi+1iN-S流程圖流程圖用偽代碼描述算法用偽代碼描述算法偽代碼：介于自然語(yǔ)言和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之間的一種文字和符號(hào)描述工具。例例3：計(jì)算：計(jì)算 2+4+6+100 的和并輸出的和并輸出0 sum1 I循環(huán) I Fortran語(yǔ)言悠久的歷史、豐富的程序庫(kù)，是科研工作和軟件開(kāi)發(fā)的寶貴財(cái)富。2Fortran語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)和語(yǔ)法要求嚴(yán)格，更適合于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)計(jì)算領(lǐng)域。3Fortran語(yǔ)言程序可以用一個(gè)語(yǔ)句直接對(duì)數(shù)組（矩陣）和復(fù)數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。4Fortran語(yǔ)言在并行計(jì)算方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。5Fortran語(yǔ)言

13、是一種編譯語(yǔ)言，運(yùn)行速度快。 Fortran語(yǔ)言具有C語(yǔ)言編譯型語(yǔ)言的特點(diǎn)又具有Matlab語(yǔ)言對(duì)矩陣操作簡(jiǎn)潔直接的特點(diǎn)，并且本身語(yǔ)法嚴(yán)謹(jǐn)，底蘊(yùn)豐富，包含了現(xiàn)代語(yǔ)言的特征，是科學(xué)計(jì)算的首選語(yǔ)言。 近60年來(lái)積累起來(lái)的大量的Fortran語(yǔ)言源程序，都是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)為正確、可靠、高效的，如果用其它語(yǔ)言重寫(xiě)這些程序，既費(fèi)工時(shí)又需要大量實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，造成資源浪費(fèi)。Fortran語(yǔ)言的版本（標(biāo)準(zhǔn)）語(yǔ)言的版本（標(biāo)準(zhǔn)）1954年，F(xiàn)ortran1958年，F(xiàn)ortran1960年，F(xiàn)ortran1962年，F(xiàn)ortran1966年，F(xiàn)ortran661978年，F(xiàn)ortran771991年，F(xiàn)ortran

14、901996年，F(xiàn)ortran952003年，F(xiàn)ortran20032008年，F(xiàn)ortran2008結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念引入了引入了C語(yǔ)言的指針語(yǔ)言的指針等技術(shù)，開(kāi)始支持并等技術(shù)，開(kāi)始支持并行計(jì)算，廢棄了固定行計(jì)算，廢棄了固定的書(shū)寫(xiě)格式的書(shū)寫(xiě)格式面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)理念面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)理念Fortran源程序的編譯軟件源程序的編譯軟件Intel Visual Fortran 9.0 支持支持Fortran2003Compaq Visual Fortran 6.x 支持支持Fortran95/90Microsoft Fortran Powerstation 4.0 支持支持Fortran90Dig

15、ital Visual Fortran 5.0 支持支持Fortran901997年3月，Microsoft公司授權(quán)DEC公司開(kāi)發(fā)Fortran Powerstation的升級(jí)版本，為此DEC公司推出：1998年1月，計(jì)算機(jī)工業(yè)史上最大的一次合并：DEC公司并入Compaq公司，創(chuàng)立了年收入370億美元的大公司，將Digital Visual Fortran 5.0升級(jí)為： Compaq Visual Fortran的安裝The Compaq Array VisualizerThe Compaq Array Visualizer is a software tool that was incl

16、uded with Compaq Visual Fortran Professional and Enterprise editions. It lets you view and analyze array data graphically. The Array Visualizers advanced data visualization techniques enable you to discover hidden patterns in large multidimensional arrays. An extensive set of customization options a

17、llows you to bring out the important features of your data. 1.4 Fortran90程序的基本結(jié)構(gòu)及書(shū)寫(xiě)格式程序的基本結(jié)構(gòu)及書(shū)寫(xiě)格式一、一、Fortran90 程序的基本結(jié)構(gòu)程序的基本結(jié)構(gòu)一個(gè)Fortran程序必須包含一個(gè)或若干個(gè)程序單元。程序單元可以是主程序、外部子程序、自定義函數(shù)等。一個(gè)程序中有且只有一個(gè)主程序，子程序單元可以有也可以沒(méi)有。程序單元的基本構(gòu)成形式相似，如，主程序的結(jié)構(gòu)為：program 程序名程序名說(shuō)明部分說(shuō)明部分可執(zhí)行部分可執(zhí)行部分end program 程序名程序名！開(kāi)始語(yǔ)句！程序體！結(jié)束語(yǔ)句F說(shuō)明：藍(lán)色部分

18、是可以省略的，但為了增強(qiáng)可讀性，一般不省略。一個(gè)程序由開(kāi)始語(yǔ)句、程序體、結(jié)束語(yǔ)句三大部分組成，而程序體又包括說(shuō)明語(yǔ)句部分與可執(zhí)行語(yǔ)句部分。將program換成為subroutine就成為外部子程序，而將program換成為function就成為自定義函數(shù)，其它結(jié)構(gòu)與主程序相同。subroutine 程序名(參數(shù)表)說(shuō)明部分可執(zhí)行部分end subroutine 程序名function 函數(shù)名(參數(shù)表)說(shuō)明部分可執(zhí)行部分end function 函數(shù)名程序體：程序體：說(shuō)明部分：說(shuō)明部分：變量類(lèi)型聲明等可執(zhí)行部分：可執(zhí)行部分：可以包含一個(gè)或多個(gè)順序排列的、或相互嵌套的基本程序結(jié)構(gòu)序列。（3種結(jié)構(gòu)）

19、二、二、Fortran程序的書(shū)寫(xiě)格式程序的書(shū)寫(xiě)格式格式：格式： 固定（fixed）、自由（free）格式 不能混寫(xiě)Fortran77 （*.F *.f *.f77）Fortran90 （*.f90）固定格式自由格式Fixed form1615列：標(biāo)號(hào)區(qū)第一列C或*，此行為注釋行6列：續(xù)行標(biāo)志區(qū)除空格和零以外的任何Fortran77的字符Fixed form772語(yǔ)句區(qū)7380注釋區(qū)程序有錯(cuò)！程序有錯(cuò)！Free form第1列第132列?。鹤⑨尫?，注釋延伸到程序行的結(jié)束&：續(xù)行符（行末）程序有小問(wèn)題！程序有小問(wèn)題！自由格式并不自由！自由格式并不自由！第1列第132列程序名程序名程序名程序

20、名注釋行注釋行變量類(lèi)型變量類(lèi)型聲明聲明賦值運(yùn)算賦值運(yùn)算輸出輸出縮進(jìn)縮進(jìn)空格空格1.5 Fortran90 程序運(yùn)行程序運(yùn)行創(chuàng)建項(xiàng)目創(chuàng)建項(xiàng)目控制臺(tái)應(yīng)控制臺(tái)應(yīng)用程序用程序項(xiàng)目名稱(chēng)項(xiàng)目名稱(chēng)項(xiàng)目保存路徑項(xiàng)目保存路徑創(chuàng)建項(xiàng)目創(chuàng)建項(xiàng)目選擇項(xiàng)目選項(xiàng)卡選擇項(xiàng)目選項(xiàng)卡自動(dòng)創(chuàng)建新項(xiàng)自動(dòng)創(chuàng)建新項(xiàng)目空間目空間創(chuàng)建源程創(chuàng)建源程序文件序文件自由格式源自由格式源程序文件程序文件源程序源程序文件名文件名創(chuàng)建項(xiàng)目創(chuàng)建項(xiàng)目開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境菜單欄菜單欄工具欄工具欄項(xiàng)目管項(xiàng)目管理和導(dǎo)理和導(dǎo)航窗口航窗口源代碼源代碼窗口窗口信息窗口信息窗口項(xiàng)目空間項(xiàng)目空間編輯源程序文件編輯源程序文件(.f90)創(chuàng)建源程創(chuàng)建源程序文件序文件創(chuàng)建項(xiàng)目創(chuàng)建項(xiàng)目編輯編輯Compile 編譯編譯源程序源程序機(jī)器指令機(jī)器指令(.obj)如果源程序出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤，編譯器會(huì)指出種類(lèi)和位置，此時(shí)修改源程序再進(jìn)行編譯創(chuàng)建源程創(chuàng)建源程序文件序文件創(chuàng)建項(xiàng)目創(chuàng)建項(xiàng)目編輯編輯編譯編譯沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)