Fortran 程序设计基础

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    • 自由格式
  • 数据类型声明
    • 整数 (integer) 类型
    • 浮点数 (real) 类型
    • 逻辑 (logical) 类型
    • 字符 (character) 类型
  • 数学表达式
    • 混合精度计算

字符集

字符集：指编写 Fortran 程序时，所能使用的所有字符及符号

字符集类型	说明
英文 26 个字母	A-Z 及 a-z
数字	0-9
22 个特殊符号	:=+-*/(),.'!"%&;<>?$_ (空格)

Fortran 不区分命令中字母的大小写，命令中的所有大写英文字母都会被视同为小写字母。INTEGER, integer, Integer, InteGer, INTEGEr 都是同一个命令

C/C++ 是区分大小写的编程语言，在 C 程序中调用 Fortran 或在 Fortran 中调用 C 时，需要注意大小写问题

书面格式

书面格式：指 Fortran 程序代码的编写格式，包括固定格式（Fixed Format）和自由格式（Free Format）

书面格式	程序文件名	Fortran 标准
固定格式	_.f; _.F; _.for; _.FOR	Fortran 77
自由格式	_.f90; _.F90; _.f95; _.F95	Fortran 90/95

编译器根据程序文件名的后缀，自动确定改文件的编写格式

固定格式

• 每行最多 72 个字符，每一行中，前 6 个字段为非执行字段，第 7-72 个字符是可以用来编写程序的字段

字符位置	说明
第 1 个字符	如果是字母 C、c 或星号 *，这一行文本会被当成说明批注，不会被编译
第 1-5 个字符	如果是数字，则是用来给这一行程序代码取个代号。不然只能是空格
第 6 个字符	如果是 “0” 以外的任何字符，则是续行符，表示这一行会接续上一行
第 7-72 个字符	Fortran 程序代码的编写区域
第 73 个字符及之后	不使用，编译时被忽略，可能导致编译错误信息

• 感叹号 “!” 以后的字符会被当做注解

vi 编辑器可提示不符合固定格式

自由格式

• 非常自由的编写格式，没有规定每一行的第几个字符有什么作用
• 注意事项：
  • 感叹号 “!” 后的文本都是注解
  • 每行可以编辑 132 个字符
    • Intel 编译器支持每行无限字符数而 gfortran 仅支持 132 字符数。建议按照 gfortran 标准编写程序
  • 代号放在每行最前面，代号由不超过 5 个数字组成
  • 续行符为 “&”：当前行要接续下一行时，当前行最后一个字符需要是 “&”；“&” 不能是一行的第一个字符

数据类型声明

整数 (integer) 类型

• Fortran 支持多种位宽的整数类型，位宽包括 1 字节（8 个 bit）、2 字节、 4 字节、8 字节，不同位宽对应着不同的数值范围。
  • 例如：4 字节位宽对应的数值范围为 -2147483648~2147483647，约-2^32~2^32

整数位宽	Fortran 声明方式	C/C++ 声明方式
1 字节	integer*1; integer(kind=1)	char
2 字节	integer*2; integer(kind=2)	short
4 字节	integer*4; integer(kind=4)	int
8 字节	integer*8; integer(kind=8)	long

• 当采用 integer 声明整数变量时，通常位宽默认为 4 字节，但可通过编译选项改变默认位宽
  • GNU 编译器中把 integer 类型声明默认位宽设为 8 字节的编译选项为 -fdefault-integer-8；GNU 编译器不支持 2 字节位宽，例如：gfortran -fdefault-integer-8
  • Intel 编译器中控制 integer 类型声明默认位宽(2、4、8字节)的编译选项：
    • -i{2|4|8} 设置字节长度，例如：ifort -i8
    • -integer-size <size> 设置位宽，包括 16、32、64，可设置为 64 位(8 字节)
• 将整数位宽写成参数形式，位宽参数可以直接赋值或用 selected_int_kind 来设置
  • selected_int_kind(8) 表示 8 位最大的 10 进制数对应的整数类型，实际上是 4 字节整数
  • selected_int_kind(10) 表示 8 字节整数
• 设计整数不同位宽的意义
  • 整数位宽应该足够，以避免错误的溢出
  • 在位宽足够的情况下，越小的位宽意味着越少的存储空间需求、访存带宽用量和 I/O 带宽用量，意味着更快的计算速度
  • 在过去，不同位宽的整数计算的指令开销不同
• GCC (新版)可支持位宽为16字节整数，但 Intel 编译器还不支持
  • 大多数处理器指令至多能运算 8 字节整数，16 字节整数只能用程序模拟执行，因此计算速度慢

浮点数 (real) 类型

• Fortran 支持三种位宽的浮点数类型，位宽包括 4 字节、8 字节、16 字节，不同位宽对应着不同的数值范围和有效数位。

精度	正数取值范围	负数取值范围
单精度类型	1.4e-45 至 3.4e+38	-3.4e+38 至 -1.4e-45
双精度类型	4.9e-324 至 1.798e+308	-1.798e+308 至 -4.9e-324

浮点数位宽	Fortran 声明方式	C/C++ 声明方式
4 字节	real*4; real(kind=4)	float
8 字节	real*8; real(kind=8)	double
16 字节	real*16; real(kind=16)	long double

• 早期编译器版本可能不支持 16 字节浮点数
• 大多数处理器指令至多能运算 8 字节浮点数，16 字节浮点数只能用程序模拟执行，因此计算速度很慢，特别是除法
• 当采用 real 声明整数变量时，通常位宽默认为 4 字节，但可通过编译选项改变默认位宽
  • Intel 编译器中设置浮点数默认位宽的编译选项：
    • -r{8|16} 设置字节数
    • -real-size <size> 设置位宽，包括 32、64、128，可设置为 128 位(16 字节)
    • -autodouble 设置为 64 位(8 字节)
  • GNU 编译器中设置浮点数默认位宽的编译选项为 -fdefault-real-8，单精度浮点数默认位宽为 4 字节，双精度浮点数默认位宽为 8 字节，16 字节浮点数在旧版本不支持，新版本支持

逻辑 (logical) 类型

• Fortran 支持多种位宽的逻辑类型，位宽包括 1 字节、2 字节、4 字节、8 字节，但是逻辑判断只有两种结果：“是”（true）和“否”（false）。

整数位宽	Fortran 声明方式	C/C++ 声明方式
1字节	logical*1；logical(kind=1)	bool
2字节	logical*2；logical(kind=2)
4字节	logical*4；logical(kind=4)
8字节	logical*8；logical(kind=8)

• 当采用 logical 声明变量时，通常位宽默认为 4 字节，但可通过编译选项改变默认位宽，改变方法与整数相同

字符 (character) 类型

• 只记录一个字母、符号时的数据类型称为“字符”，记录一连串的字符时，就称为“字符串”。一个字符占 1 个字节。

	Fortran 声明方式	C/C++ 声明方式
字符	character a 未赋值时，通常不能被打印出来	char a
字符串	character(len=10) a 未赋值时的默认字符是空格，字符串中的任意位置都可以是有效字符	char a[10] 字符串以首个 '\0' 结束，通常必须含有至少一个 '\0'

• 在 Fortran 中，char(0) 即 '\0' 在打印时被忽略，但会被记录

! char1.F90
program main
  implicit none
  character a
  character(len=10) b
  b = "ab"//char(0)//"cd"
  print *, 'start:',a , b, a, ':end'

以下为编译输出过程

$ gfortran -g char1.f90
(Linux)$ ./a.out
(Windows)$ .\a.exe
 start:abcd  :end

输出解释：字符 a 初始化时未被赋值，因而未被输出，而 char(0) 被忽略，但会被记录，这体现在长度为 10 字符的字符串 b 最终只有两个空格被输出，两个字符位被 \0 (即 char(0)) 填充

! char2.F90
program main
  implicit none
  character a
  character(len=10) b
  character(len=1) c
  a = ' '
  b = "ab\0cd"
  print *, 'start:',a , trim(b), , ':end'

trim 命令用于去掉字符串后面的空格

以下为编译输出过程

$ gfortran -g char2.f90
(Linux)$ ./a.out
(Windows)$ .\a.exe
 start: ab\0cd :end

输出解释：\0 不会被忽略，而是作为普通字符处理，原因在于 Fortran 没有转义字符，同时与字符 a 相比，c 作为字符串体现，因而其默认会被赋值为空格。

数学表达式

• 用 Fortran 来编写数学表达式的规则和方法都很“直观化”，和在纸上做的四则预算仅有少量差别，按照优先级从低到高顺序如下：
  • + 加法 - 减法
  • - 乘法 / 除法
  • *- 乘幂（两个星号要连续）
  • ( ) 括号（表示括号起来的部分优先计算）
• 表达式中乘号不能省略

混合精度计算

• 在计算过程中，按照等号右边操作数的最高精度进行计算，存在浮点操作数时，整数被转化为浮点数进行计算
• 将立即数（即运算式中的常数，与变量相区别）赋值给浮点变量时，可能因为溢出而发生四舍五入
• 在浮点计算过程中，四舍五入发生在等号右边的计算过程
• 浮点数到整数的类型转换过程中，直接舍弃小数位
• C/C++ 也是上述规则

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• 浮点立即数默认为real类型，在赋值给双精度变量前可能发生四舍五入计算
• 双精度立即数由最后面的“d0”标记
• C/C++ 没有上述情况