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标题: [转帖]Fortran 2003：完美还是虚幻？ [打印本页]
作者: ilikenba    时间: 2005-4-15 15:45
标题: [转帖]Fortran 2003：完美还是虚幻？
<TABLE>/ r" @; ^, ?- S8 F
" z: s% y; `3 P7 N  r8 {4 _
<TR>8 d, w( Z' h1 `
<TD vAlign=center># w6 z! e8 [. L& ^$ H# f
<H1>Fortran 2003：完美还是虚幻？</H1></TD></TR></TABLE>
3 `9 {4 R6 t, `$ D7 [<DIV class="frame note">
& P: `3 I6 Q6 q' C% M$ A8 v( M<DIV class=label>Note</DIV>
+ l2 s1 L) v- J: {<DIV class=content>本文发表于2004年10月《程序员》</DIV></DIV>4 m3 f. o  w) a5 n
<>“Fortran 2003！面向对象的Fortran！自由、开放的Fortran！拥抱Fortran 2003吧！”我手舞足蹈、兴奋异常。</P>, r1 h/ l. p. ?$ d1 p! _% P& C
<>“Fortran 2003？你发什么颠？”地球物理系一位戴着宽边眼镜的博士生拦住了我，鄙夷的目光从厚重的眼镜片里直射过来，“我昨天才用Fortran 77做完了课题。你说的‘面向对象’、‘自由’、‘开放’什么的，都是你们程序员的鬼把戏吧？它们能让我的SCI论文数量翻番吗？能让我提前评上副教吗？”</P>
$ v) ~, a2 R, i7 _<>“……”</P>
2 ~+ V7 x+ @5 U7 h9 n9 v<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>& S8 a( V- {2 Y( n- ?/ y5 \
7 L) T/ u& D! ]& H& Q& l8 e
<TR>
" ^: m! {# h5 r/ q<TD width=9 height=10></TD>- ]! W. s' ~0 e/ z" Z
<TD>6 J- Y9 v, J+ T* M4 u+ M
<H3>1. 不断变革的Fortran</H3></TD>/ Q' }, Y3 u3 I8 {$ y
<TD  vAlign=bottom align=right>$ O! F0 s6 \+ s
<DIV ><a href="http://www.contextfree.net/wangyg/b/tech/fortran2003.html#top" target="_blank" > </A></DIV></TD></TR>
4 O; i' M3 k7 b1 ^<TR>8 N) {% @$ V8 n8 Q
<TD bgColor=#80c4ff colSpan=3><IMG src="http://www.contextfree.net/wangyg/skin/images/spacer.gif"></TD></TR></TABLE># Z( g1 _8 }; }/ P: y( P
<DIV class=section>/ ~0 _% K1 W2 b7 i" |
<>2004年5月，Fortran 2003，这个新世纪里诞生的Fortran语言新标准，终于在ISO、IEC的联合工作组JTC1/SC22/WG5以及美国Fortran委员会NCITS/J3的共同努力下，走完了编撰、修订的最后一步。不出意外的话，再过一两年，支持Fortran 2003的开发工具就会充斥Fortran世界；那些仍在坚守Fortran 77阵地的老用户们也会自然而然地把质疑的目光从Fortran 90/95投向更富有革命精神的Fortran 2003。</P>
! o. ^! a/ }8 w/ H* L- o<>要了解Fortran 2003，我们有必要先简单回顾一下Fortran语言的历史。</P>
: E9 K' I" d/ [3 }( v1 I<>1954到1957年间，世界上第一种高级程序设计语言——Fortran诞生于IBM公司。Fortran这个名字的原意是IBM Mathematical FORmula TRANslation，其设计目的在于为科研人员提供一种符合数学思维习惯的高级语言，以满足科学计算的需要。1960年代，在美苏太空竞赛的大背景下，在国防、教育和科研领域对高性能计算工具的迫切需求下，Fortran语言蓬勃发展，成为了当时统治计算机世界的高级语言之王。</P>
: X" b7 @2 O& D( j<>1962年，为了统一不同公司、不同硬件平台上的Fortran语言，人们开始了Fortran语言标准化的尝试，这也是程序设计语言发展史上的第一次标准化历程。1972年，Fortran 66标准（标准编号来自标准草案的制定时间）正式发布。但因为标准文档过于简单，约束力不强，Fortran 66标准发布后，Fortran语言的统一问题并没有得到彻底解决。</P>
& ~+ T: i4 `; F. X; B  q<>1978年，Fortran语言标准的第一个修订版本正式发布，这就是我们熟悉的Fortran 77了。Fortran 77细致描述了Fortran语言的各种特征，让Fortran成了一种真正规范、高效和强大的结构化程序设计语言。此后，无数性能优异的Fortran 77编译器和开发工具的问世更是让Fortran 77成为了几乎所有理工科学生的必修课。</P>1 R1 c, l8 [# B! A* C( ?6 v5 F8 [
<>尽管Fortran 77的影响力一直延续到了今天，但Fortran语言不断变革的历程却从未停止过。为了改变Fortran 77那种老旧的、从打孔卡片遗传来的语言风格，为了给Fortran注入更多的现代特征，人们于1991年发布了崭新的Fortran 90标准。除了自由的代码风格外，Fortran 90还为Fortran语言引入了模块、接口、自定义（派生）数据类型和运算符、可动态分配和参与复杂运算的数组、泛型过程、指针、递归等重要的语法特征。这不但使结构化的Fortran语言更趋完善，也使其具备了少量的面向对象特性。</P>. G) W2 ^. i* ~  ^2 I) _7 C
<>1997年发布的Fortran 95标准在Fortran 90的基础上，吸收了HPF语言（High Performance Fortran，Fortran语言在并行环境下的一个变种）的优点，提高了Fortran语言在并行任务中的表达和计算能力，并进一步完善了派生类型、指针、数组等要素的相关语法。</P>+ ^1 a: o, Z+ Z% D
<>以Fortran 66为基准，我们可以把后续的Fortran 77/90/95以及本文介绍的Fortran 2003均视为对Fortran语言标准的修订。在历次修订中，Fortran 77和Fortran 95是修订幅度相对较小的版本，而Fortran 90和Fortran 2003则是锐意变革的“大修”版本。如果说Fortran 90是在“形式”上让Fortran脱胎换骨的话，那么，Fortran 2003就近乎彻底地解决了Fortran语言现代化的问题：完整的面向对象机制、灵活的语法特征、统一的接口标准……这些难道还不足以让Fortran迷们跃跃欲试吗？</P></DIV>3 F: U2 _' o3 }9 A6 c( F! Z
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
7 Z; j# }5 H2 T5 R) g+ Z. C$ e3 K+ f4 r" b+ @! V2 [( u
<TR>
5 u' J5 ?7 [5 N6 ^7 _: v<TD width=9 height=10></TD>
( s2 D; ^# q# r3 F7 n<TD>6 ^, r; b5 x( C! \+ s- V0 x
<H3>2. 面向对象的Fortran</H3></TD>
( B' m7 U: F- E- R<TD  vAlign=bottom align=right>
- T* F( o% k- e5 P9 N  F1 T<DIV ><a href="http://www.contextfree.net/wangyg/b/tech/fortran2003.html#top" target="_blank" > </A></DIV></TD></TR>$ Z- A2 G0 `; L+ R
<TR>
0 g# k& O% ~- K7 D7 i; Y# k$ |3 n<TD bgColor=#80c4ff colSpan=3><IMG src="http://www.contextfree.net/wangyg/skin/images/spacer.gif"></TD></TR></TABLE>7 ~3 w( v* g2 t& Y
<DIV class=section>
+ l$ Z$ C0 y  ?$ p. u- z! o1 A& d<>从结构化程序设计到面向对象，这是大多数高级语言的发展、演变规律，Fortran也未能免俗。在Fortran 77中，由于缺乏对数据抽象和数据封装的基本支持，人们很难引入面向对象的理念和方法。在Fortran 90/95中，尽管我们可以用派生类型（Derived Type）和模块（Module）模拟一部分面向对象的特性，但却无法实现真正意义上的封装和继承。</P>
  M/ E# r3 _2 o<>对数据和相关操作的封装是面向对象的基础。传统的结构化程序设计语言大多拥有简单的数据封装能力（如Pascal语言中的record），但缺乏对操作封装的支持。当我们为结构化程序设计语言引入面向对象机制时，在语法层面一般有两种思路：一种是引入一个全新的语法容器，允许用户借助该容器定义出封装了数据和操作的统一数据类型，例如，C++在C语言的基础上扩展出了class的概念，并以class为中心支持面向对象编程；另一种是通过某种机制，将原有的数据封装容器和表述操作的过程或函数捏合在一起，例如，Ada 95利用Ada 83中已有的概念，将private type和相关操作封装在package中，创建了完整的面向对象机制。Fortran 2003对Fortran 90/95的改造正是遵循着后一种思路进行的。</P>
0 [) t; s: m9 n) f8 w# w<>首先，Fortran 2003第一次引入了过程指针（Procedure Pointer）的概念。Fortran 90/95只支持普通指针。为了实现回调机制，Fortran 90/95特意引入了用过程名充当形式参数（Dummy Procedure）的语法，但这种语法还无法解决在数据类型中内嵌相关操作的问题。在Fortran 2003中，我们可以使用过程指针将数据和操作绑定在一起：</P><RE>TYPE point+ V8 k% i" u# \. z. P
        REAL :: x, y- I3 U$ o4 f# E$ @
        PROCEDURE (testif), POINTER :: test
. T9 i5 R' K- {4 w1 G% o) yEND TYPE/ K8 f3 u5 L4 V6 h- d; B
</PRE>
) t4 Z0 W& {! S0 _. N+ C<>这种绑定是一种运行时的动态绑定，我们可以根据需要为过程指针赋值，这类似于我们在C语言的struct中嵌入函数指针。</P>$ O6 _  ^9 n: k3 i' R( ]
<>其次，如果与类型相关的操作在编译时已经预知，我们就可以直接使用Fortran 2003提供的类型绑定过程（Type-bound Procedure），将数据和操作关联在一起：</P><RE>TYPE point, }( m4 j3 M$ B4 Q/ j3 S% @
        REAL :: x, y9 ?; F3 L: t8 f7 O/ t
CONTAINS6 m, T$ ^) W7 r3 S. A
        PROCEDURE :: test =&gt; my_test) E0 z. \7 z7 U+ k1 @) P, T
END TYPE( q' R3 ~% m6 e# l0 B+ N
</PRE>
& F) x: u& \$ O" K4 G, k8 h6 Z4 N<>这样，在同一个模块中，类型和相关操作相互关联，用户可以直接使用CALL p1%test或类似的代码来访问特定操作，这已经非常近似于Ada 95的封装机制了。</P>4 F  r7 P, f8 q6 ?% I5 Y9 v5 ?( I
<>和C++或Java语言相比，Fortran 2003的这种过程绑定方式较为靠近语言设计的底层。例如，对于绑定在point类型中的my_test过程，我们必须显示指明，该过程的第一个参数为point类型：</P><RE>SUBROUTINE my_test(a)
+ }% W( v) d' s2 z% C        TYPE(point), INTENT(IN) :: a: `- P- m$ O7 \1 W  U- g
END SUBROUTINE$ [9 N9 f( x$ B2 }* V* o- _
</PRE>
( |# h2 a! J0 J+ @<>这里的参数a相当于C++或Java方法中隐含的this参数，其目的是将调用该操作的对象实例传入过程。我把这种显示实现this参数的做法称为“赤裸裸的面向对象”。尽管写起来稍嫌繁琐，但这种“赤裸裸”的做法也有不少好处。例如，我们可以在Fortran 2003中使用NOPASS属性禁止传递对象实例，或通过PASS属性改变对象实例参数在过程参数表中的位置。</P>: y3 W0 f' G9 W  Z2 q% d# \
<>Fortran 90/95已经允许用户自定义运算符过程。现在，Fortran 2003则进一步允许用户将运算符过程绑定到特定的类型，其方法和绑定普通过程类似：</P><RE>TYPE point. `1 o" D7 o! J- b2 X4 Q
        REAL :: x, y0 D* q) l: R5 z! t+ R" h' r% X4 d
CONTAINS) n" A, j. Q2 x" r* n
        GENERIC :: OPERATOR(+) =&gt; plus: m" z; N- W: t
        GENERIC :: ASSIGNMENT(=) =&gt; assign * F9 T9 e$ ]7 b8 p- b
END TYPE
/ p- V1 q5 S, O: c</PRE>' M. ~' X) H( L/ ]! d4 u
<>有了完善的数据和操作封装机制，Fortran 90/95中简单的访问权限控制属性——PRIVATE和PUBLIC就不能满足要求了。Fortran 2003扩展了PRIVATE和PUBLIC的使用范围，允许PRIVATE类型中出现PUBLIC成员，同时又增加了PROTECTED属性，以限定某个成员的取值只能由自己所属的模块修改。</P>6 j3 w2 O/ O( V# J1 b; H
<>Fortran 2003增强了派生类型的初始化和构造语法。尽管我们在Fortran 2003中还不能像在C++里那样随心所欲地定义各种构造函数，但仍可以较精确地控制对象的初始化过程。此外，Fortran 2003允许我们为类型定义终结子例程（Final Subroutine），以完成对象销毁时的清理工作。终结子例程可以定义多个，像这样：</P><RE>TYPE point. r8 g/ F4 k. o, S) i$ S
        REAL :: x, y
5 z6 k* w5 ?  wCONTAINS
/ {0 M2 I2 q& ?4 N9 h- o        FINAL :: finish1, finish2
# s" q* g  v4 o9 n+ e4 W$ nEND TYPE* b; D7 K9 f; B( L
</PRE>8 t3 C) M8 l, u' Q' p. ]: A
<>在Fortran 2003中，继承机制是通过类型扩展（Type Extension）实现的。相关的语法和大多数面向对象语言的继承机制没有什么不同：</P><RE>TYPE, EXTENDS(point) :: funny_point) p; s3 X) P4 o( ^* }0 C( Q$ _
        LOGICAL :: funny = .TRUE.- C) d( f: g4 j
END TYPE
- U+ W/ ~$ I; W1 X% j7 ^$ l9 A</PRE>
3 t5 o+ b( G, @8 O5 G3 T/ ]<>在扩展类型中，可以直接通过基类型的名称来引用基类型的成员，这类似于C++中引用基类成员的语法。</P>
! ]! x8 z2 h$ D8 i, Y! S<P>单从封装和继承这两个层面看来，Fortran 2003对Fortran 90/95的扩展就是革命性的。当年，Fortran 90刚问世的时候，许多人迫不及待地宣称Fortran已经是面向对象的语言了。殊不知，Fortran 90/95中的面向对象机制还不如Visual Basic 6.0中的类模块（Class Module）来得成熟，更不要说与真正面向对象的Fortran 2003相提并论了。</P></DIV>$ V' U/ b; \' T4 [# I
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
  O2 q2 B) [9 U) o9 L5 d) M) p" P0 i3 l- O; ~+ c2 M5 o  w5 d) h
<TR>: ], a, i7 [# u, h2 I
<TD width=9 height=10></TD>
( Z9 k  |# B8 Q. p<TD>
( H$ g: e; e5 L& Z6 Z3 q<H3>3. 自由的Fortran</H3></TD>
: M4 z& U  `+ G3 e0 ?2 J<TD  vAlign=bottom align=right>9 V% B% x9 N! n
<DIV ><a href="http://www.contextfree.net/wangyg/b/tech/fortran2003.html#top" target="_blank" > </A></DIV></TD></TR>4 ?  Z% Q1 T; a& L9 A: v( w$ {# L3 i
<TR>. N4 P4 C" t: M1 |- x
<TD bgColor=#80c4ff colSpan=3><IMG src="http://www.contextfree.net/wangyg/skin/images/spacer.gif"></TD></TR></TABLE>
* h6 S2 \1 X& G8 a$ p/ P) M) ^<DIV class=section>
. [+ q3 p# X  w% s- A8 G<P>灵活性一直是Fortran语言的一个弱项。早期的Fortran甚至不支持内存的动态分配。Fortran 90引入了指针的概念，全面支持数据的动态存取，同时也引入了泛型过程（Generic Procedure）的机制，以支持与C++的函数重载类似的功能。在此基础上，Fortran 2003通过参数化派生类型、覆盖、多态型等机制，进一步增强了Fortran语言的灵活性。例如：</P><PRE>TYPE point(k, n)
2 K: M: |5 r; q- A5 M& A8 w/ T3 X        INTEGER, KIND :: k = KIND(0.0D0)
8 o6 ?9 e" j# N8 [        INTEGER, LEN :: n% K% e- ^/ F3 q2 Y0 P
        REAL(KIND=k) :: x, y
1 `% p$ m: g# h0 z2 l        CHARACTER(LEN=n) :: name+ S6 M5 Y* F3 H9 d) U2 e, d8 }
END TYPE
6 \: W9 H5 J! a7 q</PRE>8 x: T. _' ]2 @
<P>基于上面这样的参数化派生类型（Parameterized Derived Type），我们可以在定义对象时，根据需要指定对象的具体类型参数，也可以在程序运行期间，动态指定可分配内存对象的类型参数（Deferred Type Parameter）。</P>
; M/ \2 J. j) H<P>除了Fortran 90已经实现的重载（Overloading）机制以外，Fortran 2003还允许扩展类型覆盖（Overriding）基类型中的类型绑定过程。更重要的是，Fortran 2003通过抽象类型（Abstract Type）、延迟绑定（Deferred Binding）、多态实体（Polymorphic Entity）、类型选择结构（SELECT TYPE）等要素完整地实现了面向对象语言必备的多态机制。举例来说，我们可以声明下面这样的抽象类型：</P><PRE>TYPE, ABSTRACT :: point        4 a+ n3 O- H. D8 |6 o
        REAL :: x, y
4 [7 r2 g" G% hCONTAINS
, A- [" F0 f5 l+ V        PROCEDURE(testif), DEFERRED :: test& V) f, u/ P! P( O; E
END TYPE
# p' }  s" J9 g' c; D* \6 M$ t, h0 p+ AABSTRACT INTERFACE4 p5 J/ J( q0 _; l) }; I7 V! w
        SUBROUTINE testif(p)* p7 F/ R/ K; `2 s
                CLASS(point), INTENT(in) :: p
1 i6 I" i% O! w! k' U" D0 s# [        END SUBROUTINE/ O' v3 n) k. a. q& b/ l
END INTERFACE
7 s. k% B- z; m' {- @! Q. Z</PRE>, D- J& N! y9 B
<P>上述代码相当于在C++或Java语言中声明了一个抽象类，其中的test过程相当于C++语言中的一个纯虚函数，只有接口声明，而没有实现代码。在此基础上，我们可以从抽象类型point扩展出具体的子类型。</P>' S5 d' K6 b3 _+ W2 Z2 J& t4 a
<P>当某个对象的具体类型在运行时才能确定时，我们可以用CLASS关键字（这里的CLASS指的是一组有继承关系的类型，与C++中的class并不等同）定义一个具有多态功能的指针或可分配对象：</P><PRE>CLASS(point), POINTER :: p( k( J4 o6 ?6 |% x$ p
</PRE>
& Q4 k' J% m9 D1 |6 R. M<P>现在，指针p可以指向任何由point扩展的具体类型的对象，这种使用方式已经和我们在C++中用基类指针引用派生类对象的做法一模一样了。使用这种具有多态性特征的实体时，我们还可以用Fortran 2003提供的内部过程SAME_TYPE_AS和EXTENDS_TYPE_OF来判定对象的类型，这是一种简单的运行时类型识别（RTTI）机制，其功能和C++语言中的typeid关键字相仿。</P>& V. P; d# v( }/ J1 q4 D7 M: H7 Z
<P>更有趣的是，Fortran 2003允许代码根据多态实体的实际类型，在运行时执行特定的程序流程：</P><PRE>CLASS(point), POINTER :: p5 Y( W2 J: ]$ J6 f0 m1 c! a
p =&gt; a' L# o. q# g3 ~3 E1 x' U' z7 f
SELECT TYPE ( pp =&gt; p )
' t, {( F; x/ ?" ZTYPE IS (point_3d)
* X' k/ P: Y, T( u$ z  f- v9 k2 b        PRINT *, pp%z
. k6 V2 B# r9 s+ o7 w: J8 ~TYPE IS (point_2d)
* C% L1 j6 j$ s) R- F: U' `/ j        PRINT *, pp%x
* O5 g: T5 N+ g: s* S% j4 q3 GEND SELECT
8 c( ?- U7 ]6 h  j1 r* S" I</PRE>! k8 e/ `5 X' ]9 i: r8 R8 P
<P>这种语法在程序设计语言中比较少见。在Java或C#等具备较强的RTTI和Reflection功能的语言中，我们可以用switch语句结合类型标识实现类似的功能，如下面的C#代码：</P><PRE>void foo(Point p) {; H5 N) ~0 t) K. V- O5 x( ?; x
        switch(p.GetType().FullName) {) v5 T- L9 I) k5 @6 U8 ^+ T
                case "Science.Point2D":
; A! p. d$ I9 ^# i                        MessageBox.Show("2D point");. |  ]' w' e; ^
                        break;
! S, ]! k$ B3 j                case "Science.Point3D":
. Q) p$ `& J: [! G. X1 V; @2 j+ m                        MessageBox.Show("3D point");: X: o& c2 W6 S% O. @, T( E
                        break;
" p( e# @+ V6 s- z        }
1 F; V6 b' z# ~}
" v% y+ M- e5 F# Z- J" j1 ?; L6 v</PRE>' C$ i  k7 f. }) v
<P>但在Fortran这样不依赖于虚拟机和中间代码的纯编译型语言中，能够拥有如此方便的SELECT TYPE语句，实在是Fortran用户的一大幸事。</P>
  _/ N# U. K2 A* {# l. `( b) x<P>其他一些较小的语法功能扩充也能反映出Fortran 2003制定者对语言灵活性的追求。比方说，ASSOCIATE语句可以让Fortran用户体验到比C语言的宏定义更为便捷的复杂表达式替换功能：</P><PRE>ASSOCIATE ( Z =&gt; EXP(-(X**2+Y**2)) * COS(THETA) )+ d8 F3 Y* E2 Z0 A7 Y( |1 z& g; P
        PRINT *, A+Z, A-Z) j- D7 D8 [9 ~& F1 o5 \
END ASSOCIATE: F5 E: q# @6 ^4 Z7 ?, L9 m
</PRE>
  h" c0 g4 k$ _: v6 y<P>再比方说，在Fortran 2003中，可以拥有ALLOCATABLE属性的变量已不再限于数组对象，参数化派生类型的对象也可以在定义时省略参数，而在动态分配时指明：</P><PRE>TYPE(point(KIND(0.0D0), n=20)) :: a
( T6 @+ S" w: b) P5 z7 ]$ pTYPE(point(KIND(0.0D0), n=),ALLOCATABLE :: b
1 B* {+ [/ I) o, |ALLOCATE(b,SOURCE=a)
& F& t  C4 m" F</PRE>
' o6 o: G: ~4 U6 h<P>对于科学计算语言中最重要的数组（矩阵）操作，Fortran 2003也提供了更多的新功能。例如，为可动态分配的数组变量赋值时，目标数组的形状可以根据源数组的形状自动调整，并自动完成内存空间的重新分配，用户也可以使用新增的MOVE_ALLOC内部过程强制改变某个数组的形状：</P><PRE>REAL, ALLOCATABLE :: a(, temp(
0 O, j' I' b1 S( R* Y. u# J6 o& NALLOCATE(a(-n:n)
' D5 Y2 n2 h! H" N$ t  _; AALLOCATE(temp(-2*n:2*n))1 B0 b" ?, ~( G1 \& b
temp(::2) = a% W* F% N' O2 _$ f3 l
CALL MOVE_ALLOC(TO=a, FROM=temp)
8 R% t* Q0 W5 P2 l" Y9 g3 G" v0 F</PRE>
: P: D  H( T3 [  t<P>Fortran 2003允许我们为指针类型的参数增加INTENT属性，这为那些与动态数据结构（如链表）相关的算法程序提供了更多的选择空间。Fortran 2003引入了IMPORT语句，允许接口声明中引用接口所在模块内的相关定义。Fortran 2003还允许我们在USE语句中，改变被引用模块内自定义运算符的名称。</P>
# {& c! U" o" v7 T; R<P>总之，借助Fortran 2003提供的更加灵活的语法特性，我们能更容易地编写出可以适应不同数据类型、不同应用环境的可复用代码。对于Fortran语言拓展应用领域、发掘潜在用户的目标而言，这些灵活性都是至关重要和不可或缺的。</P></DIV>5 }2 T! ^+ i0 e3 w5 T" c
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>6 K; M0 R# R2 X

7 _' z2 Y% X# `7 k5 Y# }; i<TR>4 T5 L9 o9 k6 s! P
<TD width=9 height=10></TD>
7 c+ }  K6 x% B9 p- L<TD>
3 }* X+ ]- F8 {! d( |<H3>4. 高性能的Fortran</H3></TD>  C# A3 b/ r- s( }
<TD  vAlign=bottom align=right>
3 S6 n, t$ U- z5 B! L<DIV ><a href="http://www.contextfree.net/wangyg/b/tech/fortran2003.html#top" target="_blank" > </A></DIV></TD></TR>
# j& N# t/ F& g, `. p" \/ X9 p/ ?+ c<TR>; Z& N0 y, H. F# }$ Z8 X7 P' l
<TD bgColor=#80c4ff colSpan=3><IMG src="http://www.contextfree.net/wangyg/skin/images/spacer.gif"></TD></TR></TABLE>. T. s8 N0 Q1 {9 I% G5 V5 b
<DIV class=section>7 Z0 X- q, f. T# }/ Q- b; R% K, R
<P>与其他科学计算语言或工具相比，Fortran语言在性能上历来是出类拔萃的。因为语言本身专门针对数值计算、矩阵处理等功能进行了优化，大多数Fortran编译器产生的可执行代码在效率上甚至会超过以高效著称的C或C++语言。为了在高性能的并行处理系统（如IBM的“深蓝”和我国的“曙光”）上获得更出色的执行效率，Fortran 95还特意吸收了HPF语言的优点，为Fortran语言增添了若干支持并行计算的语法特征（比如著名的FORALL语句和PURE过程）。</P>
% b% r9 O1 E! E1 |$ H' ^& S6 I2 A<P>继续改进Fortran语言的计算性能当然也是Fortran 2003的任务之一。一个最明显的例子是，Fortran 2003引入了VOLATILE属性。这个属性类似于C语言或Java语言中的volatile关键字。编写过并发或实时应用的程序员都知道这个含义为“易变”的关键字的价值：在并发系统中，如果没有这个关键字的帮助，我们就必须时刻警惕共享数据的取值是否已被正确刷新。</P>
9 a# V- f4 b2 J<P>不过，相对而言，Fortran语言本身的并行计算机制仍不算十分健全。编写并发或实时程序时，Ada语言中的任务（Task）管理和同步（Synchronization）机制，或是Java语言中的多线程同步特性都可以为程序员提供更有力的支持。</P>1 M$ f$ I0 f# H
<P>实际上，Fortran 95和Fortran 2003陆续引入并行语法的目的之一是消除标准Fortran语言与已经存在并得到广泛应用的各种Fortran语言变种之间的隔阂，允许同一份Fortran代码在不同的语言环境间移植。至少到Fortran 2003为止，标准Fortran语言还没有能力完全替代以HPF为代表的“高性能”Fortran语言变种。仅就适应高性能并行计算环境的能力而言， HPF等Fortran变种也仍有足够的理由继续存在和发展，直到未来某一个大而全的Fortran标准把它们真正统一起来为止。</P>9 x9 T& ~, U% y9 x' I2 A
<P>为了适应现代CPU的时钟精度，Fortran 2003扩展了内部过程SYSTEM_CLOCK的功能，允许其COUNT_RATE参数为INTEGER或REAL类型。</P>
6 B# G6 e. g; {& F& z/ `<P>对IEEE浮点数标准（IEEE 754）的完全支持是Fortran 2003在提高计算精确度和规范性方面的又一个努力。在Fortran 2003中，IEEE标准中描述的下溢（Underflow）可以被正确识别和处理，内部模块IEEE_ARITHMETIC中也为此增加了IEEE_SUPPORT_UNDERFLOW_CONTROL、IEEE_GET_UNDERFLOW_MODE、IEEE_SET_UNDERFLOW_MODE等几个相关的内部过程。</P># H  R9 k& C; {  m' y8 ~0 {
<P>另一个可以大幅提升程序执行效率的改进是Fortran 2003新增加的异步I/O机制。也就是说，执行比较耗时的I/O操作时，程序不必阻塞在I/O语句上，可以继续执行后续的指令。这种机制类似于我们用WIN32函数操作磁盘文件时，可以借助FILE_FLAG_OVERLAPPED标记指明I/O操作应异步进行。</P>
* R& m; d( W( \9 `, i& h- I<P>基于Fortran 2003，当我们在外部文件的OPEN语句中指明ASYNCHRONOUS=’YES’时，后续拥有ASYNCHRONOUS=’YES’属性的READ或WRITE语句即以异步方式执行。此后，我们可以继续执行其他语句，或使用WAIT语句等待异步I/O执行完毕。</P>
2 d8 H/ c" e. }; [7 U% {<P>异步I/O是高性能应用软件必备的特性之一。在Fortran 90/95的时代里，为了实现异步I/O功能，不同的开发商总会在自己的Fortran编译器或程序库中以各自不同的方式，增加对异步I/O的支持。Fortran 2003统一异步I/O语法的做法显然有助于Fortran应用的移植和推广。</P></DIV>7 S; w9 F" z8 u% L  }
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
- i" K/ n3 K* w7 ]: J6 S' B8 i3 x1 @1 P- @6 w2 s2 A
<TR>& L0 i. R* L. B, K
<TD width=9 height=10></TD>
1 X+ T) Q3 \" l4 g" G5 W5 ]<TD>/ {3 @$ a6 v! A: Q( ]
<H3>5. 开放的Fortran</H3></TD>  s# p" z/ C; F2 D$ y, M
<TD  vAlign=bottom align=right>
+ ]9 j  D) n5 I+ f) j# G! t: M<DIV ><a href="http://www.contextfree.net/wangyg/b/tech/fortran2003.html#top" target="_blank" > </A></DIV></TD></TR>) Q" y4 @* E0 }4 s2 V; X
<TR>5 _" s( [9 Q1 c8 q5 v- N- h$ i# j  Q
<TD bgColor=#80c4ff colSpan=3><IMG src="http://www.contextfree.net/wangyg/skin/images/spacer.gif"></TD></TR></TABLE>/ _5 b2 _% N0 ]& L
<DIV class=section>/ y$ j7 m& P8 j" u2 W) i% @0 B6 G
<P>传统意义上的Fortran语言看上去并不那么开放，这恐怕和Fortran语言向来只注重科学计算，而忽视语言通用性的习惯有关。中国的Fortran用户最常抱怨的两件事情是：不同的Fortran编译器连接外部程序（如C语言程序或Matlab程序）的方法不尽相同，不同的Fortran编译器对中文的支持能力也强弱有别。人们迫切希望制定Fortran标准的专家们能体谅到最终用户的苦衷，尽早将Fortran纳入开放、规范的发展轨道。</P>: p/ i7 Z# G! m  C7 N  e2 M$ Q7 i! K7 F
<P>在开放性方面，Fortran 2003为我们带来的第一个福音是，新标准终于规范了Fortran语言与C语言的连接方式。Fortran 2003提供了一个名为ISO_C_BINDING的内部模块，该模块定义了Fortran与C语言连接时必需的类型常量。引用了ISO_C_BINDING模块后，我们就可以将Fortran变量定义成与C语言数据结构兼容的数据类型：</P><PRE>REAL(C_FLOAT), DIMENSION(100) :: ALPHA
+ }! T4 S! q: s0 s7 F</PRE>
2 G3 _+ k- U8 ?  Y6 S<P>或者利用C_PTR、C_FUNPTR类型与C语言中的指针或函数指针交互操作：</P><PRE>TYPE(C_PTR) :: BETA
: a/ T. S) g# K, ?8 T/ FIF (.NOT. C_ASSOCIATED(BETA)) THEN
( x' V. R* q6 {. H        BETA = C_LOC(ALPHA)
; K2 x( Y5 C+ WEND IF
8 e) ^' W8 _8 y. F</PRE>6 w( |+ U" F- `3 ]
<P>对于下面这样的C语言函数：</P><PRE>int foo(void* buf, int count, int *ret)
+ l/ |- t% C! _& e1 t</PRE>* H% F1 r8 X' G  G  |4 r' ^
<P>它对应的Fortran函数接口是：</P><PRE>INTERFACE( t7 k; l9 Y& `+ z; k: O
        INTEGER (C_INT) FUNCTION foo &amp;
( C0 z  m2 Q( W# c6 E        (buf, count, ret), BIND(C, NAME='foo')
8 N- ~; f8 }- i5 `3 G  ?4 Q% e                USE ISO_C_BINDING) n& n0 U8 S3 `) }- s7 u0 a
                TYPE (C_PTR), VALUE :: buf4 ^) ^, B& g! }7 M8 I5 \& r9 [+ X
                INTEGER (C_INT), VALUE :: count) }5 z7 G! ?9 X) n% O; s
                TYPE (C_PTR), VALUE :: ret2 l. C* X* X% {6 r  x. S
        END FUNCTION) j* `7 J# R1 g( P
END INTERFACE
& w; [/ B5 M' ?" ^  o. P</PRE>
3 k+ Y) u& R# B7 x<P>这样，C语言和Fortran语言就可以通过上述接口相互调用。当Fortran语言和C语言之间拥有了统一的连接方式后，Fortran语言与其他语言之间的连接也就不再是困难重重的事了。借助ISO_C_BINDING模块，Fortran语言可以直接（在二进制层面连接）或间接（以C语言为媒介）地与Delphi、C++、Ada、Java、C#等我们常见的通用编程语言交流、沟通。</P>0 A1 J' v$ l5 h4 w  _* P
<P>在国际化方面，Fortran 90已经为Fortran引入了不少国际化支持功能。Fortran 2003则全面支持ISO 10646标准，可以正确处理双字节或四字节的国际字符集。Fortran 2003程序可以通过SELECTED_CHAR_KIND内部过程指明字符数据的编码方式；打开文件时，可以在OPEN语句内利用ENCODING=’UTF-8’或类似的方式指明文件内字符的编码；可以在读写文件时完成ASCII、ISO 10646、UTF-8之间的转换；Fortran 2003代码本身的字符集，以及标识符和字符串常量的长度范围也有所扩充。</P>9 D% u8 y8 R( H; k/ `
<P>另一个和开放性相关的新特性是Fortran 2003对流I/O（Stream Access Input/Output）的支持。作为一种以科学计算为目的的语言，传统的Fortran只提供了读写以记录为单位的外部文件的语法。在单纯的科学计算任务里，这种简单的I/O功能也许可以满足文件读写的需要，但当我们希望Fortran程序和外部应用交换数据的时候，有时就不得不面对如何读取没有固定记录结构的字节流数据的问题了。在Fortran 2003发布以前，我们只能通过编译器提供的扩展功能解决问题。现在，我们可以用标准的方式，在Fortran语言中随机访问外部文件的字节数据。应当说，直到Fortran 2003，Fortran语言才拥有了与C语言的I/O库大致相仿的I/O功能，才在I/O领域具备了通用语言的基本特征。</P>( _5 [  x+ i( {8 ]& w
<P>当我们在C语言中通过main函数的argc和argv参数获取命令行参数的时候，也许我们不会想到，在传统的Fortran语言中，要完成类似的任务，Fortran用户也必须求助于编译器提供的扩展功能。Fortran 2003显著增强了Fortran语言与外部环境的沟通能力。新引入的内部模块ISO_FORTRAN_ENV拥有INPUT_UNIT、OUTPUT_UNIT、ERROR_UNIT这一组对应于标准输入输出的常量（相当于C语言里的stdin、stdout和stderr），拥有GET_COMMAND、GET_COMMAND_ARGUMENT等获取命令行指令，以及GET_ENVIRONMENT_VARIABLE等访问环境变量或系统参数的内部过程。这些都是Fortran语言走向开放的重要标志。</P></DIV>
5 U1 E9 c  d6 k2 h1 \7 p+ b8 C<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
! y$ D5 Q: p# ~8 f( v. ~( s4 l7 \1 L
' S! n4 ]7 x7 F- P+ m! d  B<TR>' G' l0 F+ l( r" I! I4 L' x
<TD width=9 height=10></TD>
5 X6 v4 e# J0 m/ t/ S<TD>, X, R) c# Y# A: Q$ Q; E/ |1 f
<H3>6. 象牙塔里的Fortran</H3></TD>7 ]: ^( u6 P& v% z2 H* T5 q
<TD  vAlign=bottom align=right>
- A; O8 }1 @6 \0 o( D( n1 J9 O<DIV ><a href="http://www.contextfree.net/wangyg/b/tech/fortran2003.html#top" target="_blank" > </A></DIV></TD></TR>
; u. t# W$ e* k  ?2 Q: o<TR>' v1 g, C7 S7 }7 v
<TD bgColor=#80c4ff colSpan=3><IMG src="http://www.contextfree.net/wangyg/skin/images/spacer.gif"></TD></TR></TABLE>
6 c$ K0 p& P" q! G7 `$ W/ d* U<DIV class=section>
& r9 ^8 |0 ^6 q: r<P>无论Fortran 2003多么强调面向对象、灵活和开放，Fortran语言在根本上仍然是一种面向科学计算的高级程序设计语言。</P>
/ F6 m" [8 N8 i/ ?& }<P>环顾一下四周，我们很容易发现，Fortran语言最常出现的地方也是科技创新最活跃、知识密集度最大的地方：在中科院大气物理研究所里，研究人员们正使用Fortran语言编写大气数据分析软件；在国家高性能计算中心里，Fortran语言正在新安装的曙光并行计算机上执行着各种科学计算任务；在一个又一个分子生物学、高能物理学、应用数学的国家重点实验室里，Fortran是研究者们最为倚重的工具之一；在相当数量的理工科学生的课程表中，Fortran是学生进入大学课堂后接触的第一门高级语言……</P>
& x. L4 Q  f$ t<P>但正如本文开头那位博士生所说的那样，国内的Fortran语言应用多半还局限在Fortran 77的层面，大多数研究者仍在使用打孔卡片式的代码风格编写Fortran程序。这件事背后的潜台词是：一方面，Fortran 77已经可以满足大多数科研人员的需要，另一方面，科研人员不是专业的程序员，不可能有充足的时间学习新语言。在这种情况下，我们有什么理由让科研人员学习更复杂的面向对象语法并转向更强大的Fortran 95或Fortran 2003呢？</P>$ H' Y8 \) f7 N; w6 k0 N" e! n
<P>我个人觉得，Fortran 2003为所有Fortran用户带来的不仅是新鲜的语法特性，也是一种新的选择和机遇。</P>6 N3 Y! H# G7 ]5 f8 W1 q  ~
<P>对于利用Fortran语言开发商业软件包的公司（国内这类公司较少，但国外有相当数量的软件公司在开发和销售用Fortran语言开发的工具或程序库）而言，Fortran 2003提供的面向对象机制和开放性可以帮助他们优化大型软件的开发过程，提高软件的复用率，降低开发成本。</P>3 N- L% ?. T+ r' y
<P>对于将Fortran视为工具的科研人员来说，Fortran 2003既为我们提供了一种更自由的编程环境，也为我们提供了足够的向前兼容的保证——除了极少数“过时”或“危险”的语法特性被删除以外，Fortran 2003保持了与Fortran 77/90/95等语言版本的全面兼容。也就是说，你完全可以在Fortran 2003的环境中，一边编写你熟悉的Fortran 77代码，一边体验新的功能特性，直到你在不知不觉间喜欢上Fortran 2003为止。</P>
7 g6 ]8 `& j- V! a1 }2 l<P>对于理工科的学生来说，Fortran 2003也没有理由被拒之门外。与老旧、呆板的Fortran 77相比，Fortran 2003的语法更现代，更容易掌握；与C++、Java、Pascal等通用语言相比，Fortran 2003中强大的数据处理和矩阵运算功能显然可以帮我们节省许多开发时间；与Mathematica、Matlab、Macsyma，Mathcad等更“高级”的数学工具相比，Fortran 2003尽管在便捷性和可视化程度上略显不足，但Fortran语言编译后的执行效率却是这些工具软件难以企及的。</P>
" u* _& D9 L9 ^' j<P>客观地说，Fortran 2003是一种在各方面都趋于“完美”的科学计算语言，是Fortran语言走向“现代化”的重要标志；不过，这种现代化改造大都是以Ada、C++、Java等现代主流程序设计语言为参照进行的，它们是否能与Fortran语言重视科学计算的初衷相适应，是否能赢得大多数科研人员的认可，还需要经过时间的检验——至少，我们应当等到HP（Compaq）、IBM、Salford、Intel、Fujitsu等主要的Fortran工具提供商推出了支持Fortran 2003的新版编译器，等到用Fortran 2003实现的程序库和应用系统越来越多的时候，再对Fortran 2003的表现做一个中肯的评价。</P></DIV>
% P7 O$ ^) b3 M9 c; l<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>
" j: c2 R, P8 y6 v2 a
! Q8 `( }0 H$ \. g<TR>
2 e& Q8 P- N; c. C' [4 w<TD width=9 height=10></TD># R5 y( Y/ d# }% a
<TD>; |% U. |& H0 {9 R, O( j' K
<H3>7. 明天的Fortran</H3></TD>2 c1 T& t; R  Q4 H5 D3 i$ F% Y/ i
<TD  vAlign=bottom align=right>
6 E6 N1 `( l7 h6 x0 x1 B<DIV ><a href="http://www.contextfree.net/wangyg/b/tech/fortran2003.html#top" target="_blank" > </A></DIV></TD></TR>3 o# ]9 a5 {6 k
<TR>
, n$ O# ~" Z- y1 W, \: V5 p3 G5 h<TD bgColor=#80c4ff colSpan=3><IMG src="http://www.contextfree.net/wangyg/skin/images/spacer.gif"></TD></TR></TABLE>
$ K" J# y: w; @6 c$ N8 Q9 ?<DIV class=section>
7 q7 L: m, @3 L! G& R<P>根据JTC1/SC22/WG5工作组和NCITS/J3委员会的规划，2004年5月到2009年8月是下一代Fortran标准的酝酿、编撰和定稿时间。到了2010年时，Fortran语言会变成什么样呢？</P># L* D) U+ u3 L5 O
<P>在高级程序设计语言的发展史中，我们可以很容易地找出两种截然不同的语言风格。</P>! E9 M" |# _7 h8 E6 w4 e+ B; t
<P>第一种是LISP语言开创的“实验风格”，这种风格强调高级语言的语法逻辑应尽量服从计算机表达数据和操作的基本方式，以充分发挥计算机的“智慧”。例如，LISP语言中用“广义表”来统一描述代码和数据，以及Smalltalk语言用“对象－消息”这样的基本语法结构来实现面向对象机制的做法都是这种风格的完美体现。不幸的是，“实验风格”的语言尽管在表达能力和逻辑性上表现出色，但因为更接近电脑而不是更接近人，它们在与普通程序员的沟通上总显得力不从心，无法得到大多数程序员的认可。</P>
& o7 r3 V& e; q/ u<P>第二种是Fortran语言开创的“实用风格”，这种风格强调高级语言的语法应尽可能接近人类的自然语言或特定领域（如科学计算）的思维习惯，以简化程序员的编码或维护工作，降低程序员的学习难度。直接受Fortran影响的BASIC语言，以及间接受Fortran影响的C、Pascal、Ada、C++、Java、C#语言都是这种风格的杰出代表。在现代软件产业中，“实用风格”的语言占据了绝对的优势，但随着软件规模的增大，它们也逐渐暴露出了灵活度不足、表达能力不强、与计算机交流不顺畅的弱点。</P>
% ]8 S( l) N9 {* ]/ e<P>现在看来，“实验风格”和“实用风格”在一定程度上的相互融合、相互促进是未来程序设计语言发展的总体趋势。这一点可以从Python、Ruby等新生代脚本语言的蓬勃发展中见到一些端倪。</P>6 I; U* C( B; H- ~
<P>根据这样的判断，Fortran语言在未来的几年里，是不是也会向更灵活、更富有表达能力的“实验派”靠拢呢？也许是，也许不是。但无论如何，Fortran语言注重科学计算、注重执行效率的基本特征都不会改变，语言设计者们仍要在Fortran语言天生的“科学属性”与“现代化”改造的矛盾中谨慎前行——没办法，谁让Fortran语言生来就活脱脱是一个爱科学、讲科学、用科学的“动脑筋爷爷”呢？</P></DIV>
1 D, |; U7 d8 u: w( ~) J5 R<P>[王咏刚，2004年8月]</P>
作者: 99dmg    时间: 2005-4-15 23:38
现在还有多少人在用<b>Fortran啊?</b>
作者: ilikenba    时间: 2005-4-15 23:49
<>我就在用呀，非常好用，尤其设计的科学计算的领域的工作！</P>
作者: maochang    时间: 2005-4-21 15:38
有不有相关的教材,我想试一下好不好用.
作者: ilikenba    时间: 2005-4-21 16:05
标题: Fortran常用算法程序集-徐士良
<>这是书配套的源代码,可以看看,学习学习!& X4 Y! ]9 g3 Q
[attach]1458[/attach]# y  R7 g, n' ^+ v( ?3 a0 N
</P>

[转帖]Fortran 2003：完美还是虚幻？.zip

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[转帖]Fortran 2003：完美还是虚幻？
作者: victorgg    时间: 2006-11-13 14:01
谢谢了
作者: pqrs168    时间: 2008-12-23 19:31
标题: 我来办証啦！
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