Fortran95简介-全文版

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Fortran95簡介－全文版

By陳鯨太

FORTRAN的演進

FORTRAN的起源，要追溯到1954年IBM公司的一項計畫。由JOHN BACKUS領導的一個小組，嘗試著在IBM704電腦上面發展一套程式，它可以把使用接近數學語言的文字，翻譯成機械語言。這個計畫在剛開始並不被大家看好，但他們在1957年交出了成果，也就是第一套FORTRAN編譯器，FORTRAN語言也就因此誕生了。FORTRAN語言的執行效率普遍的令各界滿意，它證明了這項計畫的可行性，也成為第一個被廣泛使用的高階語言。FORTRAN的名字來自於英文的FORMULATRANSLATOR這兩個字，而這兩個字恰是數學公式翻譯器的意思。

舊版的FORTRAN77是在1978年由美國國家標準局(ANSI)所正式公布的，之後改版有1992年提出的FORTRAN90以及1997年的FORTRAN95，本文是為了FORTRAN 95所撰寫。

編譯器簡介

1、VISUAL FORTRAN

VISUAL FORTRAN一開始是起源於MICROSOFT的FORTRANPOWERSTATION 4.0，這套工具後來賣給DIGITAL公司來繼續發展，下一個版本稱為DIGITAL VISUAL FORTRAN 5.0，DIGITAL後來被COMPAQ合併，所以接下來的6.0及6.5版就稱為COMPAQ VISUAL FORTRAN。而COMPAQ目前又跟HP合併，也許下一個版本會稱為HP VISUAL FORTRAN。

VISUAL FORTRAN被整合在一個叫作MICROSOFT VISUAL STUDIO的圖形介面開發環境中，VISUAL STUDIO提供一個統一的使用介面，這個介面包括文書編輯功能，PROJECT的管理、除錯工具等等，所以在使用上其實跟上學期的VISUAL C++滿類似的，同學們上課用過VISUALC++，對VISUAL FORTRAN應該不會陌生。

VISUAL FORTRAN6.5除了完全支援FORTRAN 95的語法外，擴充功能方面提供完整的WINDOWS程式開發工具，專業版還內含IMSL數值程式庫。另外它還可以和VISUAL C++直接互相連結使用，也就是把FORTRAN和C語言的程式碼混合編譯成同一執行檔案。

2、在工作站使用FORTRAN

學校計中工作站也提供FORTRAN COMPILER，使用方式很簡單，只需要在存放FORTRAN檔案的目錄下面輸入下面敘述即可：

ccsun33[u8623033/fortran]% f77 filename.for

這個指令使用f77的compiler，其中filename.for就是我們所編寫的FORTRAN程式檔案

ccsun33[u8623033/fortran]% f90 filename.for

這個指令使用f90的compiler

而指令按下enter鍵之後，會把結果COMPILE到a.out這個檔案裡面，我們想要執行這個程式，只要在命令提示字元後打a.out就可以看到執行結果：

ccsun33[u8623033/fortran]% a.out

如果在compile的過程中想要把執行檔改成別的檔名，不要每次都變成a.out，那我們可以輸入下列指令

ccsun33 [u8623033/fortran]%f77 filename1.for –o filename2

或者

ccsun33 [u8623033/fortran]%f90 filename1.for –o filename2

則filename2會變成我們的執行檔名字

在COMPILE FORTRAN的時候，我們必需登入學校計中ccsun26~ccsun35的機器才可以使用(學校規定)，並且因為軟體總數只有兩套，同時間只有兩個人能可compile。

FORTRAN基本事項

字元集

字元集是指使用FORTRAN的時候，所能使用的所有字元有符號。FORTRAN所能使用的字元集有

1、英文26個字母：大小寫不分

2、數字：0到9

3、22個特殊符號：有冒號、等號、加號、減號、驚嘆號…等等

書面格式

FORTRAN程式碼的寫作格式有兩種，FREE FORMAT(自由格式)以及FIXED FORMAT(固定格式)。簡單來說，FIXED FORMAT是屬於舊式的寫法，它在寫作版面上有很多限制。FREE FORMAT是FORTRAN90之後的新寫法，取消了許多舊的限制。FORTRAN程式碼附加檔名為*.F或*.FOR的檔案，就是指以FIXED FORMAT來寫作的程式，若以*.F90為附加檔名的檔案，就是以FREE FORMAT來寫作的程式。建議現在都應該改用FREE FORMAT來寫作程式。

FIXED FORMAT

固定格式之中，規定了程式碼每一行中每個字元欄位的意義。如下表所示：

第1個字元	如果是字母c,C或*(星號)，表示此行是註解
第1-5個字元	如果這邊是數字，表示這一行的代號，否則應為空白
第6個字元	如果是0以外的字元，表示這一行程式會接續上一行
第7-72個字元	FORTRAN程式碼的寫作區域
第73個字元之後	不使用，超過部份會被忽略，有的編譯器會有錯誤訊息

FIXED FORMAT是為了配合早期需要使用打洞卡來輸入程式才發明出來的格式。現在都應該要使用FREE FORMAT來寫作程式。早期的電腦，還沒有使用顯示器作為輸出裝置，不能像現在一樣直接利用鍵盤來修改程式。早期的程式是利用打洞卡片一張一張的記錄下來，再拿給電腦執行。有著打洞卡的淘汰，FIXED FORMAT也沒有必要再繼續使用下去。不過同學們還是可以大概瞭解一下，因為仍有些舊程式是用這種格式來寫作。

FREE FORMAT

FREE FORMAT基本上允許非常自由的寫作格式，它沒有再去規定每一行的第幾個字元有什麼作用。需要注意的事項只有下面幾點：

1、驚嘆號「!」後面的文字都是註解。

2、每行可以寫作132個字元。(注意! 並不是無限長)

3、行號放在每行程式的最前面。

4、一行程式碼的最後如果是符號&，代表下一行程式會和這一行連接。

例子：sample1.f90

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.png! Free Format

program main

write(*,*) “hello”  ! 列印出hello這個字

write(*,*) &

“hello”

wri&

te(*,*) “hello”

end

輸出、輸入及宣告

輸出基本範例

輸出使用write指令，如下例

sample2.f90

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.pngprogram main

write(*,*) “hello”

stop

end

FORTRAN程式通常以PROGRAM敘述來開頭，PROGRAM後面還要接一個自訂的程式名稱。這個名稱可以完全自訂，不需要和檔名有任何的關係，這個名字表示「主程式」的名字。我在這裡取名為MAIN，這個名字可以看個人喜好修改。FORTRAN程式最後還要有END這個敘述，表示程式碼寫到這一行結束。

WRITE指令就是作為輸出用，WRITE(*,*)之中兩個星號各有各自的意義，前面的星號表示輸出的位置使用內定值，也就是螢幕，後面的星號表示不特別設定輸出格式。另外，下面三種輸出格式其實會得到一樣的結果：

WRITE(*,*) “HELLO”

WRITE(6,*) “HELLO”

WRITE(UNIT=6, FMT=*) “HELLO”

關於WRITE還有幾點要注意

1、每一次執行write指令之後，會自動換到下一行來準備做下一次的輸出。

2、因為雙引號是用來包裝字串用的，所以想要印出雙引號的時候，要連用兩個雙引號。

例：想要印出 MY NAME IS “CASTER”.

就要下達 WRITE(*,*)  “ MY NAME IS “”CASTER””.” 這個敘述

3、FORTRAN90可以使用雙引號或單引號來包裝字串，FORTRAN77標準中只能使用單引號，不過大部份的FORTRAN77還是可以接受雙引號。

範例中還有另一個指令STOP，STOP是終止程式的意思，它可以出現在程式的任何地方，程式執行到這個指令就會中止。除非必要，不要把STOP指令使用在主程式結束之外的其它地方。因為一個程式如果有太多的終止點會容易出錯。STOP指令在這個地方可以省略，因為主程式的程式碼執行完畢後，程式會自動終止。加上這個指令只是為了更明確表示程式到此結束而已。

END是用來包裝程式碼使用的，說明程式碼已經寫作完畢。FORTRAN 90標準中，可以使用下面三種方法來表示程式碼寫作結束，FORTRAN77只能使用第一種方法。

END

END PROGRAM

END PROGRAM MAIN  ! MAIN是主程式的名字

PRINT指令用法大致上和WRITE相同，只是專門針對螢幕作輸出，因此少了指定輸出的能力，它也具有限定輸出格式的功能，其語法如下：

PRINT *,”輸出字串”

宣告

1、整數

整數的宣告法很簡單，如下：

integer a !宣告a為一個整數，內定範圍為2^32~ －2^32

2、浮點數

real a !宣告a為一個浮點數，預設值為單精確度浮點數

real*4 a !宣告a為一個單精確度浮點數，大小為4byte

real*8 a !宣告a為一個雙精確度浮點數，大小為8byte

單精確度可記錄的數值最大為3.4*10^38，最小為－3.4*10^38

3、複數

FORTRAN是少數有提供複數型態的程式語言，宣告方法如下

complex a

設定複數的方法如下：

a=(x,y) !x為實部，y為虛部

例如我們設a=(3,8)就表示a是3+8i

範例：sample3.f90

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.pngprogram main

complex a,b

a=(1.0,1.0)

b=(3.0,4.3)

write(*,*) “a+b=”,a+b

write(*,*) “a-b=”,a-b

write(*,*) “a*b=”,a*b

write(*,*) “a/b=”,a/b

stop

end

則執行結果如下

a+b= (4.0,5.3)

a-b=(-2.0,-3.3000001)

a*b=(-1.3000002,7.3)

a/b=(0.2655511,-0.047289926)

4、字元及字串

宣告一個字元的方法如下

CHARACTER a

宣告字串的方法如下

CHARACTER(10)A  !宣告A這個字串的最大長度為10

另外使用下面幾種宣告語法也是相同的結果

CHARACTER*10

CHARACTER(LEN=10)

CHARACTER*(10)

宣告好之後，我們要給予這個變數一個初始值的方法如下：

A=”字串內容”  !雙引號在FORTRAN90適用

A=’字串內容’  !單引號在部份FORTRAN77及所有FORTRAN 90都適用

輸入指令

輸入指令的基本語法如下：

INTEGER A

READ (*,*) A  !讀入一個整數，並存到A內

READ (5,*) A  !同上

READ(UNIT=5, FMT=*) A  !同上

第一個星號表示輸入的來源使用內定的裝置，第二顆星號來源表示不指定輸出格式。鍵盤的輸入位置是5，也就是預設位置，所以可以用星號代替鍵盤代碼。

格式化輸出

格式化輸出入的控制字元非常豐富，但是常用的並不多，在這裡我們只示範幾個比較常用的部份。

A.   關於I

WRITE(*,”(I5)”)100  !用5個字元的欄位來輸出一個整數

OUTPUT : _ _ 1 00

WRITE(*,”(I3)”)100000

OUTPUT: * * *

輸出10000需要5個欄位，但是輸出格式只給三個字的欄位，因此印出三顆星號作為警告

WRITE(*,”(I5.4)”) 3  !輸出五個字元欄位，至少輸出4位，不足補0

OUTPUT: _ 0 0 0 3

B.    關於F

WRITE(*,”(F9.3)”)123.45  !輸出9個字元欄位，包括小數部份3個位數

OUTPUT: _ _ 1 23 . 4 5 0

C.    關於E

WRITE(*,”(E15.7)”)  123.45

! 用科學計號表示法，輸出15個字元欄位，小數部份佔7位

OUTPUT : _ _ 0 .1 2 3 4 5 0 0 E + 0 3

D.   關於A

WRITE (*,”(A10)”)“HELLO”  !用10個字元寬度輸出字串

OUTPUT: _ _ _ __ H E L L O

WRITE (*,”(A3)”)“HELLO”

OUTPUT : H E L

E.    關於B

WRITE (*,”(B6.5)”)3  !把3變成二進位輸出，字6個字元寬，至少輸出5位

OUTPUT : _ 0 0 01 1

F.     關於X

WRITE (*,”(3X)”)20  !輸出前先填3個空白字元

OUTPUT: _ _ _ 20

變數名稱的取名原則

變數名稱的長度限制隨著各家編譯器而有所不同。FORTRAN 77規定至少要支援到6個字元，FORTRAN 90則規定最少要支援到31個字元。變數的名字最好是取成一個有意義的英文單字，這樣可以減少程式寫作時出錯的機會。

IMPLICIT指令

FORTRAN標準中有一項不太好的功能，它的變數並不一定要經過宣告之後才能使用，編譯器會依變數名稱的第一個字母來自動決定這個變數的型態。第1個字母若為I, J, K, L, M, N的變數會被視為整數型態，其它的變數則會被當成浮點數來使用。來看下面範例：SAMPLE4.f90

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.pngPROGRAM MAIN

I=11+22

WRITE(*,*) “11+22=”, J

STOP

END

程式執行結果會得到

11+22=0

這個結果當然是錯誤的，錯誤是出在程式的第3行，原本應該是要輸出變數I，卻不小心打成J，而J仍未設定任何數值，所以會輸出0來。打錯字是寫程式的過程當中最容易發生的錯誤，這一類的錯誤通常很難查覺出來，尤其是在寫作大程式的時候。所以建議在FORTRAN程式中，開始作宣告之前，都加入下面這個敘述：

IMPLICIT NONE

加入這個敘述之後，會把內定型態的功能關閉，因此這個範例程式若加入這一行，那麼在COMPILE的過程中就會發生錯誤，我們必需事先宣告所有會使用的變數才可以。

IMPLICIT指令要馬上接在PROGRAM指令的下一行，不能把它放在其它位置。

常數的宣告

常數的宣告有下列兩種方式

A.   REAL  PI

PARAMETER(PI=3.14159)

這個方式先宣告PI是一個浮點數，再宣告它是一個常數，也就是我們所說的圓周率

B.    REAL, PARAMETER ：：PI=3.14159

這個方式同時宣告PI為浮點數及常數

程式結構

FORTRAN的程式結構應該如下

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.pngPROGRAM xxxx

IMPLICIT NONE

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.pngINTEGER  INT1, INT2                    宣告區

REAL  REAL1, REAL2

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.pngREAD(*,*)INT1, INT2                   程式主體

WRITE (*,*) INT1+INT2

……………………….

STOP

END

其中宣告區不可與程式主體交錯。

FLOW CONTROL

IF…THEN…ELSE

基本語法如下

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.pngIF(邏輯判斷式) THEN

       執行動作1

ELSE

       執行動作2

END IF

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.pngSAMPLE5.f90

PROGRAM MAIN

IMPLICIT NONE

       REALHIEGHT

       REALWEIGHT

       READ(*,*)HEIGHT

       READ(*,*)WEIGHT

       IF(WEIGHT > HEIGHT-100) THEN

              WRITE(*,*)“TOO FAT!”

       ELSE

              WRITE(*,*)“UNDER CONTROL”

       ENDIF

STOP

END

邏輯運算式

FORTRAN 90的邏輯運算符號共有下列幾種：

= =  相等

/ =  不相等

>   大於

> = 大於等於

<   小於

< = 小於等於

.AND. 如果兩邊式子都成立，整個條件就成立

.OR.             兩邊的式子只要有一個成立，整個條件就成立

.NOT.    如果後面的式子不成立，整個式子就算成立

.EQV.    兩邊式子的邏輯運算結果相同時，整個式子就成立

.NEQV. 兩邊式子的邏輯運算結果不同時，整個式子就成立

FORTRAN 77要用縮寫來作判斷，不能使用邏輯符號

.EQ. 等於

.NE. 不等於

.GT. 大於

.GE. 大於等於

.LT.  小於

.LE. 小於等於

DO迴圈

DO迴圈基本語法如下：

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.pngDO 起始值, 終止值, 累加值

       執行程式碼

END DO

舉例如下：

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.pngDO I=10, 5, -1

       WRITE(*,*)I

END DO

在這個程式中，我們設定初始值是I這個變數為10，然後每次減1，一直到I=5為止，因此程式會印出：

10

9

8

7

6

5

DO WHILE …

DO WHILE的基本語法如下：

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.pngDO WHILE (邏輯運算)

       程式碼

END DO

因為跟同學們上學期學過的C語言幾乎一樣，因此在這裡不再多描述。

陣列的宣告與使用

宣告陣列

宣告陣列有下列幾種方法：

integer a(10)   !宣告a這個陣列有10個元素

integer , dimension(10) :: a    ! 同上，另一種作法

而在FORTRAN 77當中，我們必需用下面這種方法

integer a

dimension a(10)

請記住在FORTRAN當中的陣列是從1開始算，也就是a(1), a(2)一直到a(10)

使用陣列

我們要使用已經宣告出來的陣列，直接利用其index即可，例如：

a(1)=18

也可以利用DATA 這個敘述

INTEGER A(3)

DATA A  /36, 24, 36/

在FORTRAN 90中，還可以省略DATA這個敘述

INTEGER:: A(3) = (/36, 26, 36/)  

使用這個方式必需注意，括號跟除號之間不能有空格，並且冒號不能省略。

函式

副程式(SUBROUTINE)的使用

寫程式時，可以把某一段常常被使用、具備特定功能的程式碼獨立出來，包裝成副程式，以後只要經由呼叫的CALL指令就可以執行這一段程式碼。

一個包含副程式的FORTRAN程式在結構上大概如下：

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.pngPROGRAM MAIN

       主程式碼

END

SUBROUTINE SUB1()

       程式碼

END SUBROUTINE

SUBROUTINE SUB2()

       程式碼

END SUBROUTINE

主程式不一定要放在程式的最開頭，它可以安排在程式中的任意位置，可以先寫副程式再寫主程式也無妨。副程式的最後一個指令通常是RETURN，表示程式要返回原來呼叫它的地方來繼續執行程式。在主程式內呼叫SUBROUTINE就使用CALL這個指令。

FORTRAN在傳遞參數的時候是使用傳址呼叫(CALL BY REFERENCE)，這個意思是說呼叫時所傳遞出去的參數，和副程式中接收的參數，它們會使用相同的記憶體位址來記錄資料。

範例：SAMPLE6.f90

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.pngPROGRAM MAIN

IMPLICIT NONE

       INTEGER:: A=1

       WRITE(*,*) “A的初始值是”, A

       CALLADD(A)

       WRITE(*,*)“A後來的值是”, A

       STOP

END

SUBROUTINE ADD(NUM)

IMPLICIT NONE

       INTEGERNUM

       NUM= NUM + 1

       RETURN

END SUBROUTINE

這個程式的輸出會是

A的初始值是1

A後來的值是2

很明顯的看到A的值被SUBROUTINE所改變了!!

自訂函數FUNCTION

自訂函數的運作基本上跟SUBROUTINE非常類似，它也是要經由呼叫才能執行，也可以獨立宣告變數，參數傳遞的方法也如同副程式一樣，它和副程式只有兩點不同：

1、呼叫自訂函數之前必需先宣告。

2、自訂函數執行後會傳回一個數值。

函數的宣告方法如下：

REAL , EXTERNAL :: ADD

其中EXTERNAL這個字表示我們宣告的東西是個函數。

FORTRAN 77使用分開的宣告方式：

REAL ADD

EXTERNAL ADD

範例：SAMPLE7.f90

file:///C:/Users/kingtansin/AppData/Local/Packages/oice_15_974fa576_32c1d314_f21/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.pngPROGRAM MAIN

IMPLICIT NONE

REAL, EXTERNAL:: TRIPPLE

       real:: A=1.38

       WRITE (*,*) "A的初始值是", A

       WRITE (*,*) "呼叫函數",TRIPPLE(A)

       WRITE(*,*) "A後來的值是", A

       STOP

END

REAL FUNCTION TRIPPLE(NUM)

IMPLICIT NONE

       REAL NUM

       TRIPPLE = NUM * 3

       RETURN

END

程式的執行結果如下：

A的初始值是1.38

呼叫函數 4.14

A後來的值是1.38

我們可以發現，使用了function，讓我們A這個變數不產生改變，而得到我們想要的輸出，而這個也是使用函數的不成文規定：傳遞給函數的參數，只要讀取它的數值就好了，不要去更變它的資料。傳入函數中的參數就是所謂的自變數，而函數傳回的值是應變數。自變數是自由變化的，它的值應該不會在使用函數的過程中被改變，如果想要改變傳入的參數時，最好使用副程式，而不是使用函數來完成工作。這個是寫作函數及副程式時的不成文規定。

libo8284

谢谢楼主~~

renjifei_2005

学习学习。。。。。。

zhuizhuforever

很好的资料
谢谢楼主分享