華科fortran第3章1 Fortran語言程序設計初步課件

1、第三章 Fortran語言程序設計初步3.1 Fortran語言發(fā)展概況3.2 簡單的Fortran程序分析3.3 Fortran源程序的書寫格式3.4 Fortran字符集3.5 運行一個Fortran程序的過程 50年代末誕生了第一個主要用于科學計算的高級語言FORTRAN語言。Fortran是英文FORmula TRANslation的縮寫，意為“公式翻譯”。 它是為科學、工程問題中的那些能夠用數學公式表達的問題而設計的語言，主要用于數值計算。這種語言簡單易學，因為可以像抄寫數學教科書里的公式一樣書寫數學公式，它比英文書寫的自然語言更接近數學語言。FORTRAN語言簡介3.1 Fortr

2、an語言的發(fā)展概況 Fortran語言是第一個真正推廣的高級語言。至今它已有五十多年歷史，但仍歷久不衰，始終是數值計算領域所使用的主要語言。Fortran語言問世以來，根據需要幾經發(fā)展，先后推出形成了很多版本。FortranI: 第一代Fortran語言,在1954年提出來的，于1956年在IBM 704計算機上得以實現。FortranII:是1958年出現的，它對FortranI進行了很多擴充(如引進了子程序)，FortranII在很多機器上得以實現。 FortranIII:未在任何計算機上實現。FortranIV: 1962年出現。對原來的Fortran作了一些改變，使得FortranII

3、源程序在FortranIV編譯程序下不能全部直接使用，導致了語言不兼容的問題。這樣就形成了當時同時使用FortranII和FortranIV兩種程序設計語言的局面。 Fortran66：1966年正式公布了兩個美國標準文本：標準基本Fortran X3.10-1966 (相當于FortranII)和標準Fortran X3.9-1966(相當于FortranIV)。問題： 很多編譯程序并不向這一標準靠攏，它們往往為實現一些有用的功能而忽略標準； FortranIV、66都不是結構化的語言，沒有直接實現三種基本結構的語句，在程序中往往需要用一些以GOTO語句以實現特定的算法； 而且為了使非標準的

4、Fortran源程序能夠交換移植，產生了“預處理程序”，通過預處理程序讀入非標準的Fortran源程序，生成標準的Fortran文本，從而實現了源程序的交換移植，但這種自動生成的Fortran程序通常讓人難以理解。 Fortran90：因為Fortran77有著明顯的局限性，為了引入一些新的功能，適應語言的發(fā)展，1991年通過了Fortran90新標準ANSI X3.198-1991 ，相應的國際化標準組織的編號為ISO/IEC1539:1991。 新的Fortran標準廢棄了過時的嚴格的源程序書寫格式，改善了語言的正規(guī)性，并提高了程序的安全性，功能有更大的擴充，是一個能適應現代程序設計思想的

5、現代程序設計語言。 為了保護對Fortran77用戶在軟件開發(fā)上的巨大投資，整個Fortran77被作為Fortran90的一個嚴格子集。 對科學計算特別有益之一是自動存儲、假定形狀數組、可選參數、結構和指針。用更友好的接口把軟件很好地工程化。FORTRAN 2000：全面引入面向對象的編程思想。FORTRAN已經完全趕上了編程語言的潮流。Fortran95：它的設計在1995年11月完成，是Fortran90的最小擴展。為什么選擇 Fortran77 由于很多用戶在Fortran程序上作了巨大的投資，許多大型科學計算Fortran程序(有些長達數十萬條語句)，如分子動力學模擬計算(C60-C

6、240的碰撞)等程序仍在頻繁地使用。 在科技領域內某些標準程序庫（International Mathematics and Statics Library, Numerical Algorithms Group）內有數千以上的子程序是用Fortran寫的，特別是早期的程序都是用Fortran77編寫的，這些程序庫已通過長期使用驗證了穩(wěn)定性。 科學研究經常需要使用或改編以前的程序，這時必須了解Fortran77的編程手法。因此，仍然需要學習將Fortran77作為基礎，但隨時與Fortran90比較不同之處。Fortran90/95是具有強烈現代特色的語言，總結了現代軟件的要求與算法應用的發(fā)展

7、，增加了許多現代特征的新概念、新功能、新結構、新形式。Fortran90的現代特性表現在：Fortran90/95 加強了程序的可讀性、可維護性： 淘汰所有轉移語句，用新的控制結構實現選擇分叉與重復操作，使程序結構化。 同時增加了結構塊、模塊及過程的調用靈活形式，使程序易讀易維護，新的模塊裝配取代了Fortran77的許多舊語句，使程序員更為清晰明確地定義全局數據。 增加了新的數據種別說明，使得Fortran程序在不同計算機編譯環(huán)境下有更自由的移植性。 發(fā)展了現代算法功能： 加強了數組的算法功能，引進了多種數組操作功能與概念，使數組像一個變量一樣自由操作，使數組的并行化運算成為可能。 增加了適

8、于操作數據結構的派生類型，提高了文字處理功能，勝任信息管理系統、辦公自動化的任務。特別是動態(tài)存儲功能的引進極大地加強了它在數值計算領域中應用的威力。 擴大與編程者的友好界面： 新的編程形式減少了煩瑣與格式束縛，接近自然語言與公式演算。 允許在字符數據中選取不同種別，在字符串中可使用各國文字（例如漢字），還可任意使用化學、物理、數學的各種專業(yè)字符。例1.1 輸入兩個數，求算數平均和幾何平均值。 1.0 2.0 鍵盤輸入(a,b)值 1.500000 1.414214 計算結果輸出至屏幕F77的固定書寫格式 PROGRAM Example_1_1 C-求兩種平均値- （注釋行） REAL a, b

9、, av1, av2 READ (*,*) a, b av1 = (a + b)/2 av2 = sqrt(a*b) WRITE(*,*) av1, av2 END3.2 簡單的FORTRAN 77程序分析F90的自由格式PROGRAM Example_1_1 ! 求兩種平均値REAL: a, b, av1, av2READ *, a, bav1 = (a + b)/2; av2 = (a*b)*0.5PRINT *, av1, av2END 程序説明： 程序中第1行是注釋行，對程序起說明作用。 F77注釋行是以“C”或“*”作為該行第一個字符的， F90可在任意一行末以“!”開始作為注釋符。

10、 第2行是主程序名，第3行是變量類型定義，第4行是輸入語句，第56行是賦值部分，第7行是打印輸出語句，最后是程序結束。 F90中用“；”將兩行并為一行。 例1.2 輸入圓錐底面半徑R，高度H，求體積和表面積。 從數學公式中知道：V=R2H/3圓錐側面積圓錐體積F90的自由格式 PROGRAM Example_1_2 REAL : pi, r, h, v, s pi = 3.141593 PRINT *,Input radius r and height h ? READ *, r, h v = pi*h*r*2/3.0 s = pi*r*(r + sqrt(r*2 + h*2) PRINT *

11、, Volume =, v PRINT *, Area =, s END 例1.3 分別求半徑R=1，3，12.5時的圓周長。此源程序由二部分組成：主程序和子程序。F90的自由格式real : r(3) ！MAIN PROGRAMdata r /1, 3, 12.5/do i=1,3 print *, 半徑, r(i), 圓周長, c(r(i)end doendfunction c(radius) ！ SUB PROGRAM pi=acos(-1.0) c=2*pi*radius returnend 一個Fortran程序由一個或若干個程序單位組成。 主程序和輔程序分別是一個獨立的程序單位。主

12、程序單元起整體控制作用，各輔程序單元完成總問題中的一個子問題。 每一個程序單位都是以END語句結束的。END既是一個程序單位的結束標志，又是一個獨立的語句(結束語句)。 主程序中的END語句的作用-是使程序“停止運行”。 輔程序中的END語句-是“使流程返回調用程序”。Fortran程序的特點 一個程序單位包括若干行。F77規(guī)定，一行只能寫一個語句，一行中不能寫幾個語句。如果一個語句太長，一行內寫不下的話，可以寫在繼續(xù)行(要用“續(xù)行標志”)。 F77行分為下面兩類。語句行：由一個Fortran語句組成， Fortran語句分為執(zhí)行語句和非執(zhí)行語句。 執(zhí)行語句使計算機在運行時產生某些操作，如賦值

13、語句、打印語句等。 非執(zhí)行語句(包括說明語句，數據語句等)將有關信息通知編譯系統，以便在編譯時作出相應的處理，例如類型說明語句、函數子程序語句等。非語句行：即注釋行它不是Fortran語句，它不被翻譯成機器目標指令。不產生任何機器操作。它僅僅是為了人們閱讀程序的方便而加到程序中的。一個程序中注釋行的數目不受限制，根據需要而定。但一個程序單位不能只由注釋行組成。注釋行的內容完全是根據程序設計人員需要而寫的，一般是為程序(或程序中一部分)的作用作注釋以易于理解程序。 F90行不分類。注釋可以寫在任一行末尾，而且一行不限語句數，可以將幾個F77行合并寫入一行。這樣，極大地簡化了程序寫法，使得程序可以

14、編寫得更為清晰明了。因此F90的格式較F77有柔軟性。 Fortran程序中的語句可以有標號。一個語句有否標號是根據需要而定，其作用是標志一個語句以便被其它語句引用。在同一個程序單元中不能有兩個相同標號的語句。標號不影響語句的執(zhí)行順序。 在F90中因為提倡結構化程序設計，一般不使用標號。 一個程序單位中各類語句的位置是有一定規(guī)定的。 例如 PROGRAM語句應是主程序的第一個語句 FUNCTION語句是函數子程序的第一個語句 SUBROUTINE語句是SUB子程序的第一個語句 END語句只能是程序單位中最后一行。 主程序 PROGRAM 程序名 語句可省略 .END PROGRAM 程序名 E

15、ND必須有FORTRAN 程序的構成a)程序單位輔程序(過程) SUBROUTINE 子程序 FUNCTION 函數 BLOCK DATA 塊數據 MODULE 模塊 (F90) 內部過程CONTAINS (F90)各程序單位(除模塊程序單位外)的程序體形式相同，共分兩部分：前面是說明部分，后面是執(zhí)行部分(模塊程序單位只有說明部分)，兩部分之間沒有確切的分界，緊密銜接，但不準彼此穿插。即：程序單位單位起始語句程序體單位結束語句。 程序體說明部分執(zhí)行部分。PROGRAM，FUNCTION，SUBROUTINE，BLOCK DATA等程序單位開始語句 變量類型和語句函數等定義語句(說明部分) 執(zhí)行

16、語句，DATA語句，FORMAT語句 (執(zhí)行部分)END語句b)程序體和語句順序Fortran要求嚴格的語句順序。在每個程序單位中，根據語句種類按如下的次序排列。F77中的順序可簡單歸納為： c)英文名變量名和程序名等使用的英文名是由(F77：6；F90：31)個字符(包含英文字母A-Z、數字0-9、F90:下劃線 _)構成，且第一個字符必須是字母。其英文名的有效使用范圍原則上限于一個程序單位之內（內部過程除外）。如下面的語句是錯誤的： INTEGER : 1A ! 不是以字母開頭 INTEGER: A_name_made_up_of_more_than_31_letters !太長 INTE

17、GER : China:0 ! 含有不允許的字符 INTEGER : A-3 ! 減號在此是無意義的 d) 標號和標簽可在語句開頭加上標號或標簽，用于指定特定的語句。有效范圍限于一個程序單位內。標號：1-5位的10進制整數，且至少一位不為0，前導0不起作用。F90中，不可對空語句加上語句標號。例： DO 10 k = 1,100 . 10 CONTINUE標簽：英文名，后面接“:”（冒號） (F90)注：不能使用整型變量來指定轉向語句的標號。如下是錯誤的。 n = 10 GOTO n例： DO k = 1,100loop2: DO . END DO loop2 !已有標簽名時不能省略標簽名。

18、END DO標號區(qū)：第l5列可以寫l至5位整數。也可以沒有標號。標號區(qū)中的空格不起作用。如lOO與100 或1 0 0作用相同。標號應是無符號整數(無正負號或小數點)。標號大小順序沒有任何要求。假如第二行的標號為1000，第三行的標號可以是10，也可以是99999。標號區(qū)內不得出現標號以外的內容，但注釋行例外。注釋行的內容可以寫在標號區(qū)內，一行中第一列為C或*的，該行即被認為注釋行，編譯時對該行內容不作翻譯，對程序運行不產生任何影響。如果在第一列上出現的不是數字、空格或C和*的字符，編譯時按出錯處理。一行分為四個區(qū), 分別書寫源程序不同部分的內容續(xù)行區(qū)：第6列如果在一行的第6列上寫一個非空格和

19、非零的字符，則該行作為其上一行的續(xù)行。 F77允許一個語句有19個續(xù)行(即一個語句最多可以寫成20行)。有的程序中第6列上用“l(fā)”，“2”，表示該行是第1個或第2個續(xù)行，但用數字字符容易與第7列的數字形成連續(xù)的數字串而引起錯覺，故最好使用固定的特殊字符。 語句區(qū)：第772列不要求一定從第7列開始寫語句，可以從第7列以后（72列以前）的任何一列開始寫，但一行只能寫一個語句。如果寫滿了72列，一旦在終端上修改程序時在該行又插入了一些字符，就會使本行最后幾個字符超出語句區(qū)而引起意料不到的錯誤。特別注意到語句最后的空格將可能溢出72列，在某些計算機系統上將導致難以查出的錯誤。應注意，引號內的字符串中所

20、包括的空格是有效的，不能忽略。注釋區(qū)：第7380列在卡片輸入法時代，程序員一般利用此8列為程序行編序號以便查找。注釋區(qū)只對程序員提供辨別信息，不是語句的一部分，在編譯時不對7280列作處理。續(xù)行標志區(qū)b) 自由格式在F90中，用自由格式編寫程序有很大的自由度。與固定格式相比，不易產生鍵入位置的錯誤，而且易讀易懂。行：一行為132列?？梢杂袕蛿禇l程序語句，語句間用分號“;”分開。語句沒有位置規(guī)定。注釋行：起始用注釋符“!”號，此行其后的所有字符均作為注釋（字符串中的!號除外，如 print *,help! ）。續(xù)行：當一個語句非常長以至于132列都書寫不下時，允許有39個續(xù)行。在語句行最后加上續(xù)行符“&”號。如果字符串跨2行以上,則在續(xù)行的開始位置也要加&號。注意語句的有效字符是從“&”前