Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России

ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

НА ЯЗЫКЕ ФОРТРАН

Учебное пособие

Екатеринбург

Введение. 3

Историческая справка. 5

Структура программы.. 8

Отличия Фортрана 90 от Фортрана 77. 11

Доступ к вычислительным ресурсам. 15

Запуск задач на кластере. 17

Переписать тексты программ на сервер. 17

Компиляция программ. 17

Запуск программы на счет. 19

Типы данных. 22

Целая константа. 22

Вещественная константа. 23

Вещественная константа двойной точности. 23

Комплексная константа. 23

Комплексная константа двойной точности. 24

Логическая константа. 24

Текстовая константа. 24

Операторы описания типов данных. 26

INTEGER целого типа. 26

REAL и DOUBLE PRECISION вещественного типа. 27

COMPLEX и DOUBLE COMPLEX комплексного типа. 28

CHARACTER символьного типа. 29

LOGICAL логического типа. 29

DIMENSION массивов. 30

Атрибут PARAMETER.. 32

Разновидности встроенных типов данных. 35

Выражения, операции и присваивания. 36

Арифметические выражения. 36

Выражения отношения. 37

Логические выражения. 38

Правила вычисления выражений. 38

Операторы ввода/вывода. 39

Оператор ввода DATA.. 39

Оператор ввода READ.. 40

Оператор вывода WRITE. 41

Оператор вывода на экран PRINT. 42

Оператор задания формата ввода-вывода (FORMAT) 43

Спецификации X, T. 43

Спецификатор I 44

Разделители. 45

Спецификация F. 46

Повторители. 49

Спецификация E. 50

Спецификация G.. 51

Дескрипторы данных. 52

Операторы условия. 53

Логический оператор условия. 53

Арифметический оператор условия. 57

Конструкция SELECT CASE. 60

Операторы цикла. 62

Оператор цикла DO.. 62

Оператор цикла DO WHILE. 64

Оператор остановки STOP. 65

Оператор выхода из цикла EXIT. 66

Операторы перехода. 67

Оператор бузословного перехода GOTO.. 67

Вычисляемый оператор перехода GOTO.. 67

Оператор условного перехода IF … GOTO.. 68

Работа с массивами. 69

Ввод массивов. 69

Вывод массивов. 71

Обработка массивов. 73

Подпрограммы.. 76

Оператор-функция. 78

Подпрограмма-функция FUNCTION.. 81

Подпрограмма-процедура SUBROUTINE. 83

Работа с внешними файлами. 85

Оператор открытия файла OPEN.. 85

Оператор закрытия файла CLOSE. 86

Примеры работы с файлами. 86

Литература. 89

Введение

Характерная черта параллельных ЭВМ – возможность одновременного использования для обработки информации большого числа процессоров. Применение многопроцессорных вычислительных систем (МВС) ставит две задачи построения параллельных алгоритмов: распараллеливание существующих последовательных алгоритмов и создание новых алгоритмов с ориентацией на параллельные вычислительные системы.

Наиболее распространенной технологией программирования для параллельных компьютеров с распределенной памятью в настоящее время является MPI. Основным способом взаимодействия параллельных процессов в таких системах является передача сообщений друг другу. Это и отражено в названии данной технологии – Message Passing Interface (интерфейс передачи сообщений). Стандарт MPI фиксирует интерфейс, который должен соблюдаться как системой программирования на каждой вычислительной платформе, так и пользователем при создании своих программ. Коммуникационная библиотека MPI стала общепризнанным стандартом в параллельном программировании с использованием механизма передачи сообщений.

MPI-программа представляет собой набор независимых процессов, каждый из которых выполняет свою собственную программу (не обязательно одну и ту же), написанную на языке C или FORTRAN.В языке FORTRAN большинство MPI-процедур являются подпрограммами (вызываются с помощью оператора CALL), а код ошибки возвращают через дополнительный последний параметр процедуры. Несколько процедур, оформленных в виде функций, код ошибки не возвращают. Не требуется строгого соблюдения регистра символов в именах подпрограмм и именованных констант. Массивы индексируются с 1. Объекты MPI, которые в языке C являются структурами, в языке FORTRAN представляются массивами целого типа.

В ИММ программируют на Фортране. Главной сложностью в его использовании для больших задач является согласование взаимодействия частей большой задачи. Фортран 90 включает механизмы взаимодействия объектов в соответствии с технологией объектно-ориентированного программирования, которые облегчают коллективную работу над большим проектом. Это модули для оформления библиотек, структуры и производные типы данных для организации сложных данных, это динамическое распределение памяти, а также ряд механизмов обработки массивов, в том числе образование различных вырезок (сечений). Возможность объединения в одном семействе (в роду) типовых процедур обработки, отличающихся типами их аргументов, может быть полезным средством в целом ряде задач. Виды (семейства) типов данных позволяют легко настраивать реализацию типа с учетом свойств аппаратуры (например, тип INTEGER можно объявить длинным или коротким через управление видом KIND). Некоторые правила стилевого оформления могут помогать разработке, например, объявление входных, выходных и изменяемых параметров процедуры помогает отысканию ошибок взаимодействия программных единиц. Правила записи свойств данных, комментариев и других элементов облегчают чтение написанных программ, что ускоряет поиск ошибок.

Историческая справка

1954 г. – IBM , первый транслятор языка Фортран .

1958 г. – Фортран II .

1962 г. – Фортран IV .

1966 г. – Фортран 66.

1978 г. – Фортран 77 .

Модификация языка Фортран, появившиеся в 1958 году, получила название Фортран II и содержала понятие подпрограммы и общих переменных для обеспечения связи между сегментами.

К 1962 году относится появление языка, известного под именем Фортран IV . В 1966 завершена разработка американского стандарта на язык ANSI (American National Standards Institute), язык называют Fortran 66 . В 1978 году разработана вторая версия стандарта ANSI – язык Fortran 77 , включающий элементы структурного программирования, например, структурный IF, символьные типы.

Третий вариант стандарта ANSI – Fortran 90 , реализован в 1991. Fortran 90 является развитием языка Fortran 77 , так что программа, написанная на Fortran 77 , может быть скомпилирована и запущена как программа на Fortran 90 . Стандарт Fortran 90 Standard вводит много новых средств для операций над массивами, новые методы спецификации точности, свободный формат исходного кода, рекурсию, динамические массивы и т. д.

Программы на текущем языке стандарта Fortran 77 могут успешно компилироваться компиляторами Fortran 90 без каких-либо изменений. Тем не менее, структура программы на языке Fortran 90 может значительно отличаться от структуры эквивалентной программы на Fortran 77 . Программист должен остерегаться смешения двух стилей.

В такой же мере компилятор с Fortran 90 требует обеспечения объяснений для сообщений о некоторых кодах несоответствия (несогласования), то есть использование операторов или переменных, которые разрешены сверх множества правил, выходящих за пределы стандарта.

Фортран занимает почетное место среди современных языков программирования. Это один из первых языков программирования высокого уровня и с самого своего рождения он предназначался для решения сложных вычислительных задач. В среде прикладных программистов Фортран сначала был встречен скептически, поскольку считалось, что заплатить за удобство программирования на языке высокого уровня придется значительной потерей скорости вычислений. Если речь идет о моделировании сложных процессов или обработке больших объемов информации, скорость вычислений является решающим фактором, определяющим выбор языка, вычислительной платформы и технологии программирования.

Года.) Название Fortran является аббревиатурой от FOR mula TRAN slator, то есть, переводчик формул. Фортран широко используется в первую очередь для научных и инженерных вычислений. Одно из преимуществ современного Фортрана - большое количество написанных на нём программ и библиотек подпрограмм (см., например, Netlib Repository). Среди учёных, например, ходит такая присказка, что любая математическая задача уже имеет решение на Фортране, и, действительно, можно найти среди тысяч фортрановских пакетов и пакет для перемножения , и пакет для решения сложных интегральных уравнений и многие, многие другие. Ряд таких пакетов создавались на протяжении десятилетий и популярны (главным образом в научной среде) по сей день.

Большинство таких библиотек является фактически достоянием человечества: они доступны в исходных кодах, хорошо документированы, отлажены и весьма эффективны. Поэтому изменять, а тем более переписывать их на других языках программирования накладно, несмотря на то, что регулярно производятся попытки автоматического конвертирования FORTRAN-кода на современные языки программирования.

Современный Фортран (Fortran 95 и Fortran 2003) приобрёл черты, необходимые для эффективного программирования для новых вычислительных архитектур; позволяет применять современные технологии программирования, в частности, .

Стандарты

Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Существует несколько международных стандартов языка:

FORTRAN IV (он же - FORTRAN 66 ) (1966)
FORTRAN 77 (1978)
Множество улучшений: текстовый тип данных и функции для его обработки, блочные операторы IF, ELSE IF, ELSE, END IF, оператор включения фрагмента программы INCLUDE и т. д.
Fortran 90 (1991)
Значительно переработан стандарт языка. Введён свободный формат написания кода. Появились дополнтельные описания IMPLICIT NONE, TYPE, ALLOCATABLE, POINTER, TARGET, NAMELIST; управляющие конструкции DO … END DO, DO WHILE, CYCLE, SELECT CASE, WHERE; работа с динамической памятью (ALLOCATE, DEALLOCATE, NULLIFY); программные компоненты MODULE, PRIVATE, PUBLIC, CONTAINS, INTERFACE, USE, INTENT. Появились новые встроенные функции, в первую очередь, для работы с массивами.
В языке появились элементы .
Отдельно объявлен список устаревших черт языка, предназначенных для удаления в будущем.
Fortran 95 (1997)
Коррекция предыдущего стандарта.
Fortran 2003 (2004)
Дальнейшее развитие поддержки в языке. Взаимодействие с операционной системой.

Компиляторы

Возможности и структура программы

Фортран имеет достаточно большой набор встроенных математических функций, поддерживает работу с целыми, вещественными и комплексными числами высокой точности. Выразительные средства языка изначально были весьма бедны, поскольку Фортран был одним из первых языков высокого уровня. В дальнейшем в Фортран были добавлены многие лексические конструкции, характерные для структурного, функционального и даже объектно-ориентированного программирования.

Структура программ изначально была ориентирована на ввод с

и имела ряд удобных именно для этого случая свойств. Так, 1-я колонка служила для маркировки текста как комментария (символом C ), со 1-й по 5-ю располагалась область меток, а с 7-й по 72-ю располагался собственно текст оператора или комментария. Колонки с 73-й по 80-ю могли служить для нумерации карт (чтобы восстановить случайно рассыпавшуюся колоду) или для краткого комментария, транслятором они игнорировались. Если текст оператора не вписывался в отведённое пространство (с 7-й по 72-ю колонку), в 6-ой колонке следующей карты ставился признак продолжения, и затем оператор продолжался на ней. Расположить два или более в одной строке (карте) было нельзя. Когда перфокарты ушли в историю, эти достоинства превратились в серьёзные неудобства.

Именно поэтому в стандарт Фортрана, начиная с Fortran 90, в добавление к фиксированному формату исходного текста появился свободный формат, который не регламентирует позиции строки, а также позволяет записывать более одного оператора на строку. Введение свободного формата позволило создавать код, и ясность которого не уступает коду, созданному при помощи других современных языков программирования, таких как или .

Своего рода «визитной карточкой» старого Фортрана является огромное количество меток, которые использовались как в операторах безусловного перехода , так и в операторах циклов, и в операторах описания форматного ввода/вывода FORMAT. Большое количества меток и операторов GOTO часто делало программы на Фортране трудными для понимания.

Именно этот негативный опыт стал причиной, по которой в ряде современных языков программирования (например, ) метки и связанные с ними операторы безусловного перехода вообще отсутствуют.

Однако современный Фортран избавлен от избытка меток за счет введения таких операторов, как DO … END DO, DO WHILE, SELECT CASE

Также к положительным чертам современного Фортрана стоит отнести большое количество встроенных операций с массивами и гибкую поддержку массивов с необычной индексацией. Пример:

Real,dimension(:,:) :: V ... allocate(V(-2:2,0:10)) ! Выделить память под массив, индексы которого могут! меняться в пределах от -2 до 2 (первый индекс) ! и от 0 до 10 - второй... V(2,2:3)=V(-1:0,1) ! Повернуть кусочек массива write(*,*)V(1,:) ! Напечатать все элементы массива V, первый индекс которых равен 1. deallocate(V)

Пример программы

Программа «Hello, World!»

Фиксированный формат (символами «ˆ» выделены пробелы в позициях строки с 1 по 6):

^^^^^^PROGRAM hello ^^^^^^PRINT*, "Hello, World!" ^^^^^^END

Свободный формат:

Program hello print *, "Hello, World!" end

Замечания.

Оператор PROGRAM не является обязательным. Строго говоря, единственный обязательный оператор Фортран-программы - оператор END .
Выбор прописных или строчных букв для написания операторов программы произволен. С точки зрения современных стандартов языка Фортран множество прописных букв и множество строчных букв при написании операторов языка совпадают.

Алфавит - в программировании – система неразложимых, уверенно отличимых друг от друга символов (букв, цифр, знаков препинания и др. символов), используемых для построения языков программирования.

Синтаксис - сторона языка программирования, которая описывает структуру программ как наборов символов. Синтаксису языка противопоставляется его семантика. Синтаксис языка описывает «чистый» язык, в то же время семантика приписывает значения различным синтаксическим конструкциям.

Сема́нтика - в программировании - система правил определения поведения отдельных языковых конструкций. Семантика определяет смысловое значение предложений алгоритмического языка.

Языки программирования низкого уровня – Автокод, Ассемблер,

Языки программирования высокого уровня -Фортран, Алгол, Кобол, Паскаль, Бейсик, Си++, Пролог

Языки программирования сверхвысокого уровня – APL, Алгол-68

Вычислительные Языки программирования - Фортран, Паскаль, Алгол, Бейсик, Си

Языки символьной обработки – Лисп, Пролог, Снобол и др.

Языки первого поколения:

Машинные коды были языком программирования первого поколения

Языки второго поколения:

Ассемблер

Языки третьего поколения:

эти языки часто обозначаются как языки «высокого» уровня.

Языки четвертого поколения:

Бейсик, Кобол, Си и Паскаль

Языки программирования пятого поколения:

Пролог, ЛИСП, Си++, Visual Basic, Delphi.

Язык программирования Фортра́н (Fortran)

Первый язык программирования высокого уровня, имеющий транслятор. Создан в период с 1954 по 1957 год группой программистов под руководством Джона Бэкуса в корпорации IBM. Название Fortran является акронимом от FORmula TRANslator (переводчик формул). Фортран широко используется в первую очередь для научных и инженерных вычислений. Одно из преимуществ современного Фортрана - большое количество написанных на нём программ и библиотек подпрограмм. Большинство таких библиотек является фактически достоянием человечества: они доступны в исходных кодах, хорошо документированы, отлажены и весьма эффективны. Поэтому изменять, а тем более переписывать их на других языках программирования накладно, несмотря на то, что регулярно производятся попытки автоматического конвертирования FORTRAN-кода на современные языки программирования.

Современный Фортран (Fortran 95 и Fortran 2003) приобрёл черты, необходимые для эффективного программирования для новых вычислительных архитектур, позволяет применять современные технологии программирования, в частности, ООП.

Эволюция стандартов языка

Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Новые стандарты языка в значительной мере сохраняют преемственность с более старыми, что позволяет использовать коды ранее написанных программ и их модифицировать.

FORTRAN 77 (1980)

Введено множество улучшений:

Введены операторы открытия и закрытия файла (OPEN, CLOSE) и вывода на стандартное устройство - PRINT.

Добавлены строковый тип данных и функции для его обработки.

Введён блочный оператор IF и конструкция IF THEN - ELSE IF THEN - END IF, а также оператор включения фрагмента программы INCLUDE.

Введена возможность работы с файлами прямого доступа.

Увеличена максимальная размерность массива с 3 до 7. Сняты ограничения на индексы массива.

Усовершенствованы и расширены возможности работы с процедурами.

Введено понятие внутреннего файла (каковыми являются массивы, числовые и строковые переменные). Внутренние файлы позволяют, в частности, осуществлять преобразование число-строка и строка-число стандартным операторами чтения и записи READ и WRITЕ.

Fortran 90 (1991)

Значительно переработан стандарт языка.

Введён свободный формат написания кода. Появились дополнительные описания IMPLICIT NONE, TYPE, ALLOCATABLE, POINTER, TARGET, NAMELIST.

Введены управляющие операторы и конструкции. Добавлены DO … END DO (вместо завершения цикла меткой), DO WHILE, оператор передачи управления на начало цикла CYCLE, конструкция выбора SELECT CASE (для замены громоздких конструкций IF и операторов GOTO), а также заключительный оператор программной единицы, модульной или внутренней процедуры END.

Введён инструментарий указателей и функции для работы с оперативной памятью (по аналогии с языком С).

Введены операторы работы с динамической памятью (ALLOCATE, DEALLOCATE, NULLIFY).

Добавлены программные компоненты MODULE, PRIVATE, PUBLIC, CONTAINS, INTERFACE, USE, INTENT.

Введено маскирование присваивания массивов (присваивание при выполнении наложенного на элементы массива логического условия без использования операторов условия), а также работа с сечениями массивов. Введён оператор и конструкция WHERE для частичной замены циклов (правая часть оператора присваивания не изменяется). Маскирование присваивания распространяется практически на все операторы, конструкции и функции, оперирующие с массивами.

Стандартные операции присваивания, сложения, вычитания, а также деления и умножения на число распространены на массивы и их секции, определяемые сечениями. В этом случае осуществляется поэлементное присваивание.

Появились новые встроенные функции, в первую очередь для работы с массивами. Функции для вычислений в массивах: ALL(лог. произведение) и MASK(логическое сложение), COUNT(число истинных элементов), PRODUCТ(произведение элементов массива), SUM(сложение элементов массива), DOT_PRODUCT (скалярное произведение), MATMUL (умножение матриц). Добавились справочные функции, а также функции переформирования и свёртки массивов.

В языке появились элементы ООП. Введены производные типы данных. Отдельно объявлен список устаревших черт языка, предназначенных для удаления в будущем.

Добавлены дополнительные функции для работы со строковыми данными, в частности, функции TRIM (удаление завершающих пробелов) и REPEAT(кратное копирование строки) и функции выравнивания по левой и правой границам.

Fortran 95 (1997)

Коррекция предыдущего стандарта. Введён оператор и конструкция FORALL, позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности, обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания.

Fortran 2003 (2004)

Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие возможности:

Асинхронный ввод-вывод данных.

Средства взаимодействия с языком C

Усовершенствование динамического размещения данных

Стандартом предполагается поддержка средствами языка параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran). Также предполагается увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные специальные математические функции и др.

Попробовать написать здесь свой первый пост меня подтолкнула , где предлагает использовать для обучения C++. Да, на данную тему было сломано множество копий.

Я, как и наверное большинство школьников на просторах нашей необъятной Родины, начинал постигать азы через синий экран, но не смерти, а Turbo Pascal 7.0. Был конечно и Basic, с котором я впервые столкнулся в дошкольном возрасте на советском компьютере «Электроника». Тогда он казался странным текстовым редактором, ведь компьютер глазами ребенка создан для игр. Однако уже в институте я познакомился с языком Fortran, познав который, я до сих пор недоумеваю, почему он не используется для обучения.

Да, многие скажут, что язык мертвый, не соответствует современным реалиям, а учебники с названием, как на картинке, вызывают лишь улыбку. Я попробую объяснить, чем же так замечателен этот язык и почему я его рекомендую в качестве первого языка. Если заинтересовало, добро пожаловать под кат.

Я считаю, что базис по основам программирования должен закладываться еще в школьные годы, хотя бы в старших классах. Даже если в жизни компьютер будет использоваться только для набора текста в Word"е или для общения в социальных сетях, минимальные знания о том, что такое алгоритм и как структурировать последовательность действий, чтобы получить нужный результат, по крайней мере не повредят молодому отроку во взрослой жизни, а скорей всего помогут сформировать особый склад ума.

Для того, чтобы уроки информатики были в радость, а не снились в кошмарных снах, обучаемый должен понимать, что он делает, как он это делает и почему получается так, а не иначе. Ведь по сути нужно правильно донести информацию о цикле и условном операторе, чтобы человек мог писать программы самостоятельно. При этом, чем проще синтаксис языка, тем легче понять логику написания кода. Если же человек научится составлять правильный алгоритм, то для программирования на других языках, ему понадобится только узнать синтаксис этого языка, а базис уже будет заложен.

Чем же так замечателен Фортран?

Отсюда и название самого языка: For mula Tran slator или же «переводчик формул». Т.е. изначально язык был ориентирован на людей без специальной подготовки, а значит должен был быть максимально простым.

Что ж, простота создателям удалась. Классическая первая программа выглядит следующим образом:

Program hw write(*,*) "Hello, World!" end
Синтаксис даже чуть проще Паскаля, нет необходимости ставить в конце строки "; " или ": " перед знаком равенства. Более того, людям, обладающих минимальным знанием английского языка, понять смысл простейшей программы не составит труда.

Тут я хочу отметить, что Фортран имеет несколько ревизий стандартов, основными из которых являются 77 и 90 (при этом сохраняется преемственность). 77 Фортран действительно архаичен, есть ограничение на длину строки, и необходимо делать отступ в начале строки, что может вызвать у молодого кандидата в программисты культурный шок. Недаром программы, написанные на 77 Фортране, получили из уст моего знакомого емкое название «Брежневский код». Поэтому весь мой текст относится к стандарту языка 90 и новее.

Для примера, приведу код для вычисления суммы неотрицательных целых чисел от 1 до n, вводимого с клавиатуры, написанный моей дипломницей при обучении её программированию с нуля. Именно на ней я испытал преподавание Фортрана в качестве первого языка. Надеюсь, что для неё это пошло на пользу, а мой экперимент удался. По крайней мере основы она усвоила за пару занятий, первое из которых ушло на лекцию про язык.

Program chisla implicit none ! Variables integer n,i,s ! Body of chisla s=0 write (*,*) "Введите n" read (*,*) n if (n.le.0) then write (*,*) "Отрицательное или ноль" else do i=1,n s=s+i end do write (*,*) "Сумма=", s end if end
Нетрудно заметить, что как мы думаем, так и записываем код. Никаких сложностей у обучаемого не может возникнуть в принципе. Внимательный читатель конечно же спросит, что за implicit none и две звездочки в скобках через запятую. implicit none говорит нам, что мы явно указываем тип переменных, тогда как без данной записи компилятор будет сам угадывать тип. Первая звездочка означает, что ввод и вывод происходят на экран, а вторая говорит о том, что формат ввода-вывода определяется автоматически. Собственно, программы на Фортране выглядит не сложнее, чем написанный выше кусок кода.

А что насчет программной среды?

Для написания программ на Фортране подойдет любой текстовый редактор. Если хочется подсветки синтаксиса, то можно использовать Notepad++ (поддерживает синтаксис только 77 стандарта) или SublimeText. Программу написали, чем будем компилировать? Тут все просто, можно использовать свободный GNU Fotran. Если использование планируется некоммерческое, то разрешается замахнуться и на компилятор от Intel, который хорошо оптимизирован под одноименные процессоры и поставляется с минимально необходимым IDE. Т.е. порог вхождения весьма льготный.

Лучшей средой разработки под Фортран по мнению многих пользователей остается Compaq Visual Fortran 6.6, последняя версия которого увидела свет в начале 2000-х. Почему же так сложилось, что среда, основанная на Visual Studio 6.0, которая без танцев с бубном заводится максимум на Windows XP 32 bit, и имеет ограничение на используемую память, снискала такую популярность среди фортранщиков. Ответ приведен на рисунке ниже.

Это Compaq Array Visualizer, который представляет собой очень удобный инструмент по визуализации 1, 2 и 3-х мерных массивов в процессе отладки программы непосредственно из дебаггера. Как говорится, попробовав раз, ем и сейчас. Дело в том, что Фортран сейчас используется в основном в науке (о чем будет сказано позже), в частности в той области, с которой я имею дело, а именно в физике атмосферы. При отладке программ массивы представляют собой различные метеорологические поля, такие как температура, давление, скорость ветра. Искать ошибку в графических полях гораздо проще, чем в наборе цифр, тем более, обычно известно, как примерно должно выглядеть поле, поэтому очевидные ошибки отсекаются моментально.

К сожалению, все наработки по компилятору перешли от Compaq к Intel. Intel первоначально поддерживала Array Visualizer, правда, уже те версии были бледным отражением продукта от Compaq, работать с ними было не так удобно, как прежде, но хотя бы минимальная работоспособность поддерживалась. Увы, Intel перестала разрабатывать новые версии Array Visualizer"а, поставив крест на этом удобнейшем инструменте. Именно поэтому фортрановское сообщество в основной своей массе пишет программы и занимается их отладкой под Compaq Visual Fortran на Windows, а боевые расчеты запускает на серверах под Linux, используя Intel-овские компиляторы. Интел, пожалуйста, услышь мольбы пользователей, верни нормальный инструмент для визуализации массивов в свой дебаггер!

Место Фортрана в современном мире

А сейчас мы подошли к той самой теме, которая обычно вызывает бурную дискуссию с моими коллегами, использующими Matlab, которые утверждают, что описанный в данном посте раритетный язык ни на что не годится. Тут я с ними не соглашусь. Дело в том, что Фортран исторически использовался в инженерных или научных расчетах, а потому со временем обрастал множеством готовых библиотек и кодами программ решения той или иной задачи.

Код в буквальном смысле передается из поколения в поколение, да еще и хорошо документируется. Можно найти множество готовых решений уравнений математической физики, линейной алгебры (здесь следует отметить удачную реализацию работы с матрицами), интегральных и дифференциальных уравнений и многого-многого другого. Наверное тяжело найти задачу из области физмат наук, для которой не был бы реализован алгоритм на языке Фортран. А если учесть отличную оптимизацию интеловских компиляторов под интеловские же процессоры, поддержку параллельных вычислений на высокопроизводительных кластерах, то становится понятно почему в научной среде этот язык занимает заслуженное первое место. Думаю, на любом суперкомпьютере можно найти установленный фортрановский компилятор.

Большинство серьезных моделей, по крайней мере из области физики атмосферы, написаны именно на Фортране. Да-да, прогноз погоды, которым каждый интересуется время от времени, получается в ходе расчетов моделей, написанных на этом языке. Более того, язык не находится в стагнации, а постоянно совершенствуется. Так, после описанных раннее стандартов 77 и 90, появились новые редакции 95, 2003, 2008, поддержка которых внедрена в актуальные компиляторы. Последние версии Фортрана несколько освежили старый проверенный временем язык, превнеся поддержку современного стиля, добавив объектно-ориентированное программирование, отсутствие которого было чуть ли не самым главным козырем противников этого языка. Более того, The Portland Group выпустила PGI CUDA Fortran Compiler, позволяющий проводить высокопараллельные расчеты на видеокартах. Таким образом, пациент более чем жив, а значит программисты на Фортран остаются востребованными до сих пор.

Вместо послесловия

Фортран очень прост в обучении, синтаксис понятен неподготовленному человеку. Познав основы, легко переучиться на любой другой язык.
Бесплатный набор средств позволяет не получать лишних вопросов от правообладателей.
Язык знаком преподавателям, так как существует давно, а учителя у нас в основном представители старшего поколения.
Широко распространен по всему миру и является кладезем всевозможных библиотек.
Стандартизирован, кроссплатформеннен и совместим с более ранее ревизиями.
Полезен для студентов технических, а особенно физмат специальностей, ввиду ориетации на научные и инженерные вычисления.
Актуален и востребован и по сей день.

Язык программирования Fortran используется в основном для научных вычислений. Изобретенный в 1954 году, это старейший язык программирования высокого уровня, за которым последовал Lisp (1958), Algol (1958) и COBOL (1959). Число научных библиотек, написанных на "Фортране", и создание специальных переводчиков-компиляторов позволяют использовать язык и сегодня. Кроме того, были созданы множественные калькуляторы для векторизации, сопроцессоров, параллелизма, которые вкрапляют этот язык для использования в промышленном производстве современного мира.

Джон Бэкус, радиотехник IBM, опубликовал в 1954 году статьи под заголовками «Предварительный отчет», «Спецификации для IBM Matmal Transmula TRANslating System», которые положили начало термину FORTRAN. Затем потребовалось еще два года усилий целой команды, которую он возглавил, для написания первого компилятора языка программирования Fortran (25 000 строк для IBM 704).

Название языка первоначально прописывалось заглавными буквами FORTRAN и использовалось для обозначения языковых версий вплоть до Fortran 77, в отличие от бесплатных версий синтаксиса, начиная с Fortran 90. В стандарте Fortran 77 строчные буквы не являются частью языка, но большинство компиляторов поддерживают их, в дополнение к стандарту.

Сегодня язык программирования Fortran является доминирующим в программировании, используемом в инженерных приложениях. Поэтому важно, чтобы инженеры-выпускники могли читать и изменять код Fortran. Время от времени, так называемые эксперты, прогнозируют, что язык потеряет свою популярность и скоро перестанет использоваться вообще.

Эти прогнозы всегда терпели неудачу. "Фортран" - самый устойчивый компьютерный язык программирования в истории. Одна из основных причин, по которой язык программирования Fortran выжил и выживет - это инерция программного обеспечения. После того, как компания потратила много ресурсов и, возможно, миллионы долларов на программный продукт, вряд ли она будет переводить программное обеспечение на другой язык.

Основным преимуществом Fortran является то, что он стандартизован международными органами ANSI и ISO. Следовательно, если программа написана в ANSI, то она будет запущена на любом компьютере с компилятором Fortran 77. Это важная информация. Таким образом, программы объектно ориентированного языка программирования Fortran существуют на разных программных устройствах.

Этапы создания языковой платформы:

В 1954-1957 годах первый компилятор был разработан с нуля. В те времена не было «языков высокого уровня» (= HLL), большинство операционных систем были простыми, а память была небольшой, что-то около 16 Kb. Первый компилятор работал на IBM 704. Этот язык HLL был намного более эффективным, чем программирование на ассемблере, и очень популярным в свое время.
В 1958 году издан ФОРТРАН II. В том же году был разработан FORTRAN III, но так и не выпущен в широкое производство.
В 1961 году был создан FORTRAN IV. Он содержал улучшения, такие как реализация операторов COMMON и EQUIVALENCE.
В 1962 году комитет ASA начал разработку стандарта для объектно ориентированного языка программирования Fortran. Это позволило продавцу использовать его в каждом новом компьютере. И этот факт сделал его еще более популярным HLL, язык стал доступен в системах Apple и TRS80.
В 1967 году был выпущен FORTRAN 66, первый в мире стандарт HLL. Публикация стандарта означала, что язык стал более широко реализованным, чем любой другой. К середине 1970-х годов практически каждый компьютер, мини или мэйнфрейм был снабжен стандартным языком FORTRAN 66. Язык использовал утверждение if, goto-statement и spagethi-программы. Такое структурированное программирование стало популярным в 60-70-х годах.
"Фортран" существовал на перфокартах в частности, с системой FMS, оптимизируя расположение своих источников до тех пор, пока Fortran 90 не ввел «свободный» синтаксис. В нем код массива Fortran начинается с 7-го столбца и не должен превышать 72 тыс. знаков.

Следует также отметить, что до Fortran 90 пробелы не имели значения между 7-м и 72-м столбцом. Таким образом, цикл «DO I = 1.5» также может быть записан «DOI = 1,5». С другой стороны, «DO I = 1,5» эквивалентно «DOI = 1.5».

Многочисленные промышленные коды были написаны в Nastran, NAG и IMSL- Fortran библиотеке. Совместимость новых версий с предыдущими важна. По этой причине Fortran 90 полностью совместим с Fortran 77. Однако в следующих версиях стандарта уже были введены несовместимости.

Вскоре последовали более совершенные языки Fortran 90 и Fortran 95, обновленные до текущего стандарта Fortran-2003. При том, что современные компиляторы работают неограниченно во всех текущих версиях Windows и даже поддерживают 64-разрядные процессоры. Между тем, производители признали тенденцию времени и предлагают компиляторы для Linux в виде объектно ориентированного языка программирования Actor Fortran.

Предпосылки использования языка программирования

Нужно понимать, что Fortran по-прежнему является широко используемым языком программирования и в основном применяется в области открытий. Классические области применения, например, в физике или технике, где выполняются обширные и сложные математические вычисления. В них очень полезны обширные математические библиотеки, которые существуют для разных компиляторов. Подведя итог, можно утверждать, что сегодня язык Fortran по-прежнему используется по ряду причин:

Наличие многочисленных функциональных библиотек, разрабатываемых на протяжении многих лет.
Наличие программного обеспечения в "Фортране", которое требует очень важных ресурсов для развития, когда переход на другой язык считается слишком дорогостоящим.
Наличие мощных компиляторов со встроенными функциями Fortran, которые производят очень быстрые исполняемые файлы.
Язык более доступен для изобретателя, у которого не было специализированного компьютерного курса.

Многие научные программы теперь написаны на языках C и C ++, компиляторы которых доступны на большинстве машин. Другие скомпилированные языки иногда используются для научных вычислений, и особенно для таких программ, как Scilab или Matlab. Последние также включают библиотеки BLAS и LAPACK, разработанные в программировании Fortran. Matlab изначально была программой в Fortran, распространяемой в университетах и исследовательских центрах.

Хотя Tom Lahey теперь является «единственным» генеральным компилятором, Lahey Computer Systems продолжает использоваться многими программистами. Lahey уже несколько лет работает с Fujitsu, Lahey концентрируется на синтаксическом анализаторе Fortran, а Fujitsu - на генераторе кода. Текущий Compiler Suite для Windows называется Lahey Fujitsu Fortran 95 (LF95) и доступен в различных версиях, некоторые из которых также интегрируются с Visual Studio .NET 2003.

Существует также недорогая версия LF95 Express без собственной IDE. Текущая версия - 7.1. в Linux вызывается компилятором Lahey / Fujitsu Fortran 95 v6.2 для Linux и доступна в двух разных версиях. Например, версия Pro включает совместимость с OpenMP v2.0, простой графический движок Winteracter Starter Kit, математическую библиотеку и научную библиотеку подпрограмм Fujitsu 2.

Другим производителем является Absoft. Компиляторы и C ++ существуют не только для Windows и Linux, но также и для OS X на Macintosh. Эти компиляторы интересны разработчикам, которые нуждаются или хотят поддерживать все три платформы. К сожалению, Absoft различает 32- и 64-разрядные версии под Linux, в настоящее время используется версия 10.0 Fortran 95 для 64-разрядной Linux.

Относительно новым для рынка является пакет EKOPath Compiler Suite. Это состоит из компиляторов C ++ и среды разработки Fortran для Linux, которые также доступны отдельно и в основном предназначены для 64-разрядных AMDusers. Он также работает на Intel EM64T. Также Microsoft однажды попыталась найти «дешевый рынок» Fortran и вывела на рынок Microsoft Powerstation.

Возможно, рынок был слишком мал для софтверного гиганта, но Digital занял часть кода в 1997 году и использовал свой опыт работы с компиляторами Digital Unix и OpenVMS. Это было рождение еще очень успешного Digital Visual Fortran. В какой-то момент Digital затем перешел в Compaq, компилятор был доработан до текущей версии Compaq Visual Fortran (CVF) v6.6.

В дополнение к «нормальным» 32-разрядным платформам существуют различные 64-битные компиляторы, например, для Intel Itanium и Intel EM64T. Хотя они не являются «неотложными» для объема поставки, они доступны для бесплатной загрузки через веб-систему поддержки Intel Premier.

После одноразовой, несколько громоздкой регистрации можно использовать ее в течение года, с учетом новых обновлений каждые несколько недель. Даже более старые версии будут оставаться доступными.

Программа Fortran представляет собой последовательность строк текста. Текст должен следовать определенному синтаксису. Например: круг радиуса r, площадью c.

Эта программа считывает реальный радиус и определяет площадь круга с радиусом r:

"Радиус r:"read (*, *) r;

area = 3.14159 * r * r;

write (*, *) "Area =";

Линии, начинающиеся с «C», являются комментариями и не имеют никакой цели, кроме как сделать программу более читаемой для людей. Первоначально все программы Fortran были написаны в прописных буквах. Большинство программистов теперь пишут нижний регистр, так как это более разборчиво.

Программа Fortran обычно состоит из основной программы или драйвера и нескольких подпрограмм, процедур или подпрограмм. Структура основной программы:

название программы;
декларации;
заявления;
стоп;
конец.

Выделенные курсивом не должны восприниматься как буквальный текст, а скорее, как общее описание. Оператор остановки является необязательным и может казаться излишним, так как программа остановится, когда она достигнет конца в любом случае, но рекомендуется всегда завершать программу с помощью оператора остановки, чтобы подчеркнуть, что поток выполнения прекращается.

Правила позиции столбца

Fortran 77 не является языком свободного формата, но имеет очень строгий набор правил для форматирования исходного кода. Наиболее важными правилами являются правила расположения столбцов:

Col. 1: Blank или «c» или «*» для комментариев.
Col. 2-5: метка оператора.
Col. 6: продолжение предыдущей строки.
Col. 7-72: утверждение.
Col. 73- 80: Номер последовательности.

Строкой Fortran, начинающейся с буквы «c» или звездочкой в первом столбце, является комментарий. Комментарии могут появляться в любом месте программы. Хорошо написанные, они имеют решающее значение для читаемости программы. Коммерческие коды Fortran часто содержат около 50% комментариев. Также можно столкнуться с программами, которые используют восклицательный знак (!). Это очень нестандартно в Fortran 77, но разрешено в Fortran 90.

Восклицательный знак может появляться в любом месте в строке. Иногда заявление не вписывается в одну строку, тогда можно разбить оператор на две или более строк и использовать знак продолжения в позиции.

C23456789 - это демонстрирует положение столбца.
«C» - следующий оператор проходит две области физических линий.
Area = 3.14159265358979+ * r * r.

Пустые пробелы игнорируются, начиная с "Фортрана 77". Поэтому, если удалить все пробелы в Fortran 77, программа по-прежнему синтаксиально правильная, хотя при этом почти нечитаемая для операторов.

Имена переменных в Fortran состоят из 1-6 символов, выбранных из букв a-z и цифр 0-9. Первым символом должна быть буква. Fortran 90 допускает имена переменных произвольной длины. Fortran 77 не проводит различия между верхним и нижним регистром, на самом деле он предполагает, что все входные данные являются верхним регистром. Тем не менее, почти все компиляторы F 77 будут принимать строчные буквы. Каждая переменная должна быть определена в объявлении. Это устанавливает тип переменной. Наиболее распространенными списками переменных являются:

integer;
real;
double precision;
complex;
logical;
character.

Список переменных должен состоять из имен, разделенных запятыми. Каждая переменная должна быть объявлена ровно один раз. Если переменная не объявлена, F 77 использует набор неявных правил для установления типа. Это означает, что все переменные, начинающиеся с букв «in», являются целыми числами, а все остальные - реальными. Многие старые программы F 77 используют эти неявные правила, но программисты не должны этого делать, так как вероятность ошибок в программе резко возрастает, если они непостоянно объявляют переменные.

Фортран 77 имеет только один тип для целочисленных переменных. Целые числа обычно хранятся в виде 32-битных (4 байта) переменных. Поэтому все целочисленные переменные должны принимать значения в диапазоне [-m, m], где m составляет приблизительно 2 * 10 9.

F 77 имеет два разных типа для переменных с плавающей запятой, называемых реальной двойной точностью. Некоторые численные вычисления требуют очень высокой точности, и следует использовать двойную точность. Обычно реальная - 4-байтовая переменная, а двойная точность - 8 байтов, но это зависит от машины.

Нестандартные версии "Фортран" используют синтаксис real * 8 для обозначения 8-байтовых переменных с плавающей запятой. Некоторые константы появляются много раз в программе. Поэтому желательно определить их только один раз, в начале программы. Для этого используется оператор параметра. Это также делает программы более читаемыми. Например, программа площади круга должна быть написана так.

Синтаксис оператора параметра (name = constant, ..., name = constant). Правила для оператора параметров:

«Переменная», определенная в инструкции параметра, не является переменной, а константой, значение которой никогда не может измениться.
«Переменная» может отображать не более одного оператора параметра.
Параметр оператор должен прийти до первого исполняемого оператора

Некоторые веские причины использовать параметр - помогает уменьшить количество опечаток, легко изменить константу, которая появляется много раз в программе.

Логические выражения могут иметь только значение.TRUE. или.FALSE. и могут быть сформированы путем сравнения с использованием реляционных операторов.

Нельзя использовать символы, такие как «<» или «=» для сравнения в F 77, но можно использовать правильную двухбуквенную аббревиатуру, заключенную точками. Однако такие символы разрешены в Fortran 90.

Логические выражения могут быть объединены логическими операторами «AND», «OR», « NOT», которые имеют очевидное значение. Значения истины могут храниться в логических переменных. Назначение аналогично арифметическому назначению.

Пример: logical a, ba = .TRUE.b = a .AND. 3 .LT. 5/2

Порядок приоритетности очень важен. Правило состоит в том, что сначала вычисляются арифметические выражения, затем реляционные операторы и, наконец, логические операторы. Следовательно, b будет присвоено.FALSE. В приведенном выше примере логические переменные редко используются в Fortran, но они часто используются в условных операторах, таких как оператор «if».

Константа и назначение

Простейшая форма выражения является константой. Существует 6 типов констант, соответствующих 6 типам данных. Вот некоторые целочисленные константы:10-10032767+15

Вещественные константы:1,0-0,252.0E63.333E-1.

E-нотация означает, что нужно умножить константу на 10, поднятую до мощности, следующей за «E». Следовательно, 2.0E6 составляет два миллиона, а 3,333E-1 составляет примерно одну треть для констант, которые больше, чем наибольшее реальное допустимое, или которое требует высокой точности, следует использовать двойную точность. Обозначения те же, что и для реальных констант, за исключением того, что «E» заменяется на «D».

Пример:2.0D-11D99.

Здесь 2.0D-1 представляет собой двойную точность с одной пятой, в то время как 1D99 - один, за которым следуют 99 нулей.

Следующий тип - это сложные константы. Они обозначаются парой констант (целых или вещественных), разделенных запятой и заключенных в скобки.

Примерами являются:(2, -3)(1,9,9Е-1). Первое число обозначает действительную часть, а второе - мнимую часть.

Пятый тип - это логические константы. Они могут иметь только одно из двух значений:

Обращают внимание, что точки, содержащие буквы, обязательны к написанию.

Последний тип - это символьные константы. Они чаще всего используются в виде массива символов, называемых строкой. Они состоят из произвольной последовательности символов, заключенных в апострофы (одинарные кавычки):

"Anything goes!"

"It is a nice day"

Строковые и символьные константы чувствительны к регистру. Проблема возникает, если нужно иметь реальный апостроф в самой строке. В этом случае нужно удвоить апостроф: "It""s a nice day", что означает "Какой чудесный день"

Важными компонентами любого языка программирования являются условные утверждения. Наиболее распространенным из таких утверждений в Fortran является оператор «if», который фактически имеет несколько форм.

Самый простой - это логическое выражение «if» в Fortran описании: if (logical expression) executable statement.

Это должно быть написано на одной строке, например, при определении абсолютного значения x:

if (x .LT. 0) x = -x

Если в «if» должно быть выполнено более одного оператора, тогда следует использовать следующий синтаксис: if (logical expression) thenstatementsendif.

Поток выполнения сверху вниз. Условные выражения оцениваются последовательно, пока не будет найдено истинное значение. Затем выполняется соответствующий код, и элемент управления переходит к следующему оператору после end «if».

Операторы if могут быть вложены в несколько уровней. Чтобы обеспечить читаемость, важно использовать правильный отступ. Вот пример:

if (x .GT. 0) thenif (x .GE. y) thenwrite(*,*) "x is positive and x >= y"elsewrite(*,*) "x is positive but x< y"endifelseif (x .LT. 0) thenwrite(*,*) "x is negative"elsewrite(*,*) "x is zero"endif

Программисты должны избегать вложенности многих уровней утверждений «if», поскольку ему будет трудно следовать.

Можно использовать любую рабочую станцию Unix с компилятором F 77. Опытные программисты рекомендуют использовать либо Sun, либо Dec.

Программа Fortran состоит из простого текста, который следует определенным правилам синтаксиса. Это называется исходным кодом. Программисты используют редактор для записи исходного кода. Наиболее распространенными редакторами в Unix являются emacs и vi, но они могут быть немного сложными для начинающих пользователей. Можно использовать более простой редактор, например, xedit, который работает под X-окнами.

После того, как написана программа Fortran, ее сохраняют в файле с расширением «.f» или «.for» и переводят программу в машиночитаемую форму. Это делается с помощью специальной программы, называемой компилятором. Компилятор Fortran 77 обычно называют f77. Результату компиляции дается несколько загадочное имя «a.out» по умолчанию, но можно выбрать другое имя, если потребуется. Чтобы запустить программу, просто вводят имя исполняемого файла, например, « a.out». Компилятор переводит исходный код в объектный код, а компоновщик или загрузчик - в исполняемый файл. Как видно, эта процедура совершенно не сложная и доступна любому пользователю.

Моделирование является одним из наиболее часто используемых методов производства и других систем, имеющихся на современных предприятиях. Большинство имитационных моделей построены с использованием объектно ориентированного языка программирования Actor Fortran, или пакета программного обеспечения для моделирования, написанного на традиционном языке. Эти инструменты имеют свои ограничения. Объектно-ориентированная технология проявляла все большее применение во многих областях и обещает более гибкий и эффективный подход к моделированию бизнес-систем.

Программирования Simula Fortran сравниваются с обычным научным языком программирования под названием FORTRAN. Типичная военная имитационная модель запрограммирована как в SIMULA, так и в FORTRAN. Программа SIMULA оказалась на 24% короче, чем версия FORTRAN.

Версия SIMULA также более проста и дает лучшую картину моделируемой модели. С другой стороны, время выполнения для производственных тиражей на 64% больше с объектно ориентированным языком программирования Simula Fortran. Взвешивание плюсов и минусов показывает, что SIMULA будет все более прибыльным ПО, с более высокими расходами на персонал и более низкими затратами на компьютер.

CUDA показывает, как высокопроизводительные разработчики приложений могут использовать возможности графических процессоров с использованием Fortran, привычного языка для научных вычислений и тестирования производительности суперкомпьютеров. Авторы не предполагают никакого предшествующего опыта параллельных вычислений и охватывают только основы, а также используют лучшие практики. Эффективность вычисления графических процессоров с использованием CUDA Fortran обеспечивается целевой архитектуры графического процессора.

CUDA Fortran для ученых и инженеров определит интенсивные вычислительные части кода и изменит код для управления данными, параллелизма и оптимизации производительности. Все это делается в "Фортране", без необходимости переписывать программу на другой язык. Каждая концепция иллюстрируется фактическими примерами, поэтому можно сразу оценить производительность кода.

Возможно, когда-то глобальная корпорация «окончательно глобализуется» и решит, что "Фортран" больше не нужен, однако, не теперь. Благодаря нынешним возможностям современного Fortran, многие программисты и ученые видят за ним будущее. Кроме того, в мире достаточно производителей, которые живут за счет разработки современных компиляторов и неплохо зарабатывают на этом процессе.

Первые языки программирования высокого уровня. Почему физики всё ещё используют Fortran