Fortran基本用法小结

dql188

【 以下文字转载自 D_Atmosphere 讨论区 】
【 原文由 superjyq 所发表 】

我的Fortran基本用法小结
高级语言和算法组 heavensky


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，都是些最基本的用法（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。要想弄得更清楚些，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，看完前九章应该很快的，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。

另外，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来得及仔细想，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。如果有不妥的地方，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设计它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。Fortran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Fortran90。Fortran 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，至少保证能够看懂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（用作格式化输入输出等）；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不同，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，满足了工程方面的需求
    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"HelloFortran"程序。
programmain          !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高。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的网上引用的维基的网页。推荐去看看!能查到不少有意思的东西。

programcylinder        !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 variablesto 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do前
                            !面的 interactive_loop就是标签

!    Prompt the user for radius and height and read them.

     write (*,*) 'Enter radius andheight.'    !屏幕输出
     read (*,*,iostat=ierr)radius,height      !键盘输入。isotat的值用于判断
                                              !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.'
        cycleinteractive_loop                 !cycle 相当于C里的continue
     end if

!    Compute area.  The ** means "raise to apower."

     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 anothercalculation? y[n]'
        read(*,'(a1)') yn
        if (yn=='y' .or. yn=='Y') exityn_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有；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）。按照默认的规定，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加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,比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'。Fortran 90  
                           !一般" "和' '都可
     print *，"text"        !只能屏幕输出
（*,*）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。如果这两项都写成*，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(逻辑判断式) then
……
else if
……
else if
……
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         !没必要跟C语句多时用{}了，因为有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行的程序
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构
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，不能是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/减量变化，
      ……                      !counter每取一个值对应着一次循环。增/减量不写则默认为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语句来控制循环。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，保证至少做一次循环：
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: doi=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的下一次循环
     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（），如下
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，方法如下：
integer, allocatable :: a(:)  !声明
大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)。原则是先放低维的元素，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/
或integer ::a(5)=(/1,2,3,4,5/)
若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。
integera(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1，2，3，4，5
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

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