Почему физики всё ещё используют Fortran. Язык программирования Фортра́н (Fortran)

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?

Обратимся к истории создания этого языка. Появился он в далекие 50-е годы прошлого века, когда компьютеры еще были большие, программистов было мало, а информатика не преподавалась в школе, да и вообще считалась лженаукой. Нужен был простой язык, который помогал бы инженерам и ученым «скармливать» ЭВМ формулы, написанные на бумаге, пусть даже через перфокарты.

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?

В школах, да и в любых госучреждениях, часто встает вопрос о программном обеспечении, в частности об его лицензионности. Потому как деньги на эти нужды особо не выделяются. По крайней мере в мое время, с этим была проблема, может сейчас ситуация изменилась в лучшую сторону.

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

А теперь я хотел бы вернуться к изначально затронутой теме об обучении программированию, и попытаться тезисно сформулировать основные плюсы Фортрана при выборе его в качестве первого языка.

• 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.

Так почему же не Фортран?

Введение

Еще лет десять назад, до массового появления персональных компьютеров в бывшем СССР, в представлении большинства наших сограждан основными (чаще всего, единственными) пользователями ЭВМ были программисты. Вернее, термин "пользователь" вообще не существовал, а его синонимом был "программист". При этом самих программистов довольно часто называли "математиками", потому что в большинстве своем вычислительные машины (EC, СМ) использовались для решения научно-технических задач, связанных с интенсивными математическими расчетами.

Надо признать, что на протяжении всей своей жизни Fortran не отличался изысками в области технологии программирования. Жесткая структура кода программы, довольно примитивный набор операторов управления структурой программы (без оператора GOTO написать программу было практически невозможно), слабые средства описания данных - все это было общеизвестно.

Отличительной особенностью математических расчетных задач является высокая степень консерватизма используемых в них алгоритмов. Например, математические модели для расчета траекторий космических кораблей остаются, по большому счету, примерно такими же, как и тридцать лет назад. Разумеется, они постоянно уточняются и расширяются, но, как правило, ранее созданные расчетные модули входят в новые модели в качестве готовых частных блоков. Короче говоря, жизненный цикл математических программ существенно превышает время существования конкретных компьютерных платформ.

Сильной стороной языка, обеспечивающей долговечность разработанных на нем программ, всегда была высокая степень переносимости исходного кода между различными платформами (как существующими в данный момент, так и будущими). В основе такой совместимости лежит наличие достаточно жесткого стандарта, которого стараются придерживаться все разработчики компиляторов. Ранее стандарты языков программирования являлись формально чисто американскими и утверждались Американским Национальным Институтом Стандартов (American National Standard Institute - ANSI), позднее они стали фиксироваться также Международной Организацией Стандартов (International Standard Organization - ISO). Поэтому современные стандарты имеют обозначение ANSI/ISO.

Целью курсовой работы является изучение программы Fortran, его версии, отличия от других программ и составление программ на языке программирования Fortran.

Глава 1. История

Фортран (Fortran) - первый язык программирования высокого уровня <#"justify">Современный Фортран (Fortran 95 и Fortran 2003) приобрёл черты, необходимые для эффективного программирования для новых вычислительных архитектур, позволяет применять современные технологии программирования. 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.

Глава 2. Fortran

Первоначальный выпуск FORTRAN для IBM 704, содержащиеся 32 отчетность <#"justify">1.измерение и эквивалентность отчетность

.Операторы присваивания

3.три пути арифметики <#"justify">Подпрограммы, функция, конец

Вызов и возврвщение

В течение следующих нескольких лет, FORTRAN II бы также добавить поддержку ДВОЙНОЙ ТОЧНОСТИ и КОМПЛЕКС типы данных.

Простой FORTRAN II

Эту программу, для Герона формула <#"justify">§Основная программа, ПОДПРОГРАММЫ, ФУНКЦИЯ, и БЛОК ДАННЫХ, программа единиц

§ЦЕЛОЕ ЧИСЛО, РЕАЛЬНЫЕ, ДВОЙНОЙ ТОЧНОСТИ, КОМПЛЕКС, и ЛОГИЧЕСКИЕ типы данных <#"justify">FORTRAN 77

После выхода FORTRAN 66 стандартных, компилятор поставщиков представил ряд расширений для "Стандарт Fortran", предлагая ANSI в 1969 году, чтобы начать работу по пересмотру 1966 стандарта. Окончательный этот пересмотренный стандарт распространен в 1977 году, ведущих к официального утверждения нового FORTRAN стандарт в апреле 1978 года. Новый стандарт, известный какFORTRAN 77, добавлен ряд существенных особенностей, для решения многих недостатков FORTRAN 66:

§Блок ЕСЛИ и КОНЕЦ ЕСЛИ заявления, с дополнительными ЕЩЕ и ОСТАЛЬНОЕ, ЕСЛИ положения, чтобы обеспечить улучшенная поддержка языков структурное программирование <#"justify">В этом пересмотра стандарта, ряд функций, были удалены или изменены таким образом, что может аннулировать ранее в соответствии со стандартом программ. (Удаление была единственной допустимой альтернативой X3J3 в то время, поскольку концепция "осуждения" еще не был доступен для стандарты ANSI.) В то время как большинство из 24 пунктов в ходе конфликта списка (см. Приложение A2 X3.9-1978) обратился лазейки или патологических случаев, разрешенных предыдущего стандарта, но редко используется, небольшое число конкретных возможностей были умышленно удалены, таких как:

§Чтение в Д edit (Hollerith поле) дескриптор в ФОРМАТЕ, спецификация.

§Overindexing из границ массива с индексами.

ИЗМЕРЕНИЕ(10,5)= A(11,1)

§Передача управления в диапазоне цикл DO (также известный как "Extended Range").

В значительной задержкой во преемника на FORTRAN 77, неофициально известной как Fortran 90 (а до этого, Fortran 8X), был, наконец, выпущен в качестве стандарта ISO, в 1991 г, и ANSI Стандарт в 1992 году. Этот крупный пересмотр добавлено много новых функций, чтобы отразить значительные изменения в практике программирования, который сложился с 1978 года стандарт:

§Свободной форме входного источника <#"justify">§всего, частичной и масках массива операторы присваивания и массив выражений, таких как X(1:N)=R(1:N)*COS(A(1:N))

§ГДЕ заявление для селективного массива назначения

§массив-значной константы и выражения,

§определяемые пользователем массив-значных функций и массивов конструкторов.

§РЕКУРСИВНАЯ <#"justify">Fortran 95

Fortran 95 был несовершеннолетним пересмотра, в основном, для решения некоторых нерешенных вопросов от стандарта Fortran 90. Тем не менее, Fortran 95 также добавлен ряд расширений, в частности, от High Performance Fortran <#"justify">§FORALL и вложенные ГДЕ конструкции для помощи векторизация

§Определяемые пользователем ЧИСТЫЙ и ЭЛЕМЕНТАЛЬ процедуры

§По умолчанию инициализации производного типа компонентов, включая указатель инициализации

§Расширена возможность использовать выражения инициализации для объектов данных

§Четко определено, что ALLOCATABLE массивы автоматически уничтожается, когда они выходят из области видимости.

Ряд intrinsic-функции были расширены (например, dim аргумент был добавлен в maxloc intrinsic).

Несколько функций, отметил в Fortran 90 к устаревшим были сняты с Fortran 95:

§СДЕЛАТЬ отчетность с использованием РЕАЛЬНЫЕ и ДВОЙНОЙ ТОЧНОСТИ переменные

§Ветвление в КОНЕЦ ЕСЛИ заявление из-за ее блок

§НАЗНАЧЕНИЕ и назначен ГОТО заявление, и назначен спецификаторов формата

§H изменить дескриптор.

Важным дополнением к Fortran 95 был Технический отчет ИСО <#"center">fortran язык программирование платформа

Глава 3. Примеры программ

1.Программа приветствияhellon*,"Hello World!"*, nprogram hello

2.Программа решения квадратного уравненияkvadrat_yravnNONE: : A, B, C, A2: : SQD, X1, X2= 4.0; B = 2.0; C = 1.0= A + A; SQR = SQRT (CMPLX(B * * 2 - 4 * A * C))

X1 = (- B + SQD) / A2; X2 = (- B - SQD) / A2* , КОРНИ УРАВНЕНИЯ:* , X1 = , X1* , X2 = , X2

END PROGRAM kvadrat_yravn

.Вывод таблицы соответствия температур по Цельсию и ФаренгейтуTABLNONE(2) : : I, CELSIUS, FAHRENHEIT*, таблица соответствия между Ц и Ф*, Ц и ФI = 0, 20= 5 * I= 32 + CELSIUS * 9/5*, C = , CELSIUS, F = , FAHRENHEITDO

Заключение

Фортран занимает почетное место среди современных языков программирования. Это один из самых первых языков программирования высокого уровня и с самого своего рождения он предназначался для решения сложных вычислительных задач.

Не смотря на свой «почтенный» возраст, Фортран постоянно обновляется. В среднем один раз в 10 лет выходит новый стандарт языка, учитывающий современное состояние программирования с одной стороны и пожелания программистов-прикладников с другой.

Трудно назвать какой-либо другой язык, который сочетал бы постоянное обновление и достаточно строгое следование стандартам.

gfortran

• gfortran 4.5.0

Язык программирования

Фортран (Fortran) - первый реализованный язык программирования высокого уровня (после ), правда, с одной небольшой оговоркой - для машин, построенных по классической схеме фон Неймана. Создан в период с 1954 по 1957 год группой программистов под руководством Джона Бэкуса (John Backus) в корпорации IBM. Через пару лет начались его коммерческие поставки. До этого программирование велось либо непосредственно в машинных кодах, либо на символических ассемблерах. Название Fortran является аббревиатурой от FORmula TRANslator, 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. 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 матриц, и пакет для решения сложных интегральных уравнений и многие, многие другие. Ряд таких пакетов создавались на протяжении десятилетий и популярны по сей день (главным образом в научной среде).

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.

Своего рода «визитной карточкой» старого Fortran является огромное количество меток, которые использовались как в операторах безусловного перехода GOTO , 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, Java) метки и связанные с ними операторы безусловного перехода вообще отсутствуют.

Однако современный Fortran избавлен от избытка меток за счет введения таких операторов, как DO … END DO, DO WHILE, SELECT CASE. Также к положительным чертам современного Fortran стоит отнести большое количество встроенных операций с массивами и гибкую поддержку массивов с необычной индексацией.

Взаимодействие с другими языками

Многие системы программирования позволяют компоновать полученные в результате трансляции программы на Fortran объектные файлы с объектными файлами, полученными от компиляторов с других языков, что позволяет создавать более гибкие и многофункциональные приложения. Для языка Фортран также доступно большое количество библиотек, содержащих как подпрограммы решения классических вычислительных задач (LAPACK, IMSL, BLAS), задач организации распределенных вычислений (MPI, pvm), так и задач построения графических интерфейсов (Quickwin, FORTRAN/TK) или доступа к СУБД (Oracle).

Наследие Fortran

Fortran использовался более пятидесяти лет и существует огромная часть принадлежащая ему и по сей день. Fortran - основной язык для некоторых задач требующих огромных вычислений, таких как моделирование погоды и климата, гидрогазодинамика, вычислительная химия, квантовая хромодинамика, моделирование динамики солнечной системы, вычисление орбит искусственных спутников и многие другие задачи.

Переносимость

Поначалу переносимость для Fortran была весьма насущной проблемой, потому что не существовало ни одного единого стандарта и даже справочной информации от IBM. И компьютерные фирмы соперничали между собой, обеспечивая несовместимость для разных компиляторов. Исправило дело появление стандартов. Стандарт 1966 года устанавливал синтаксис и семантику, но продавцы продолжали внедрять несовместимые расширения. Осмотрительные программисты понимали, что использование несовместимых расширений вызовет проблемы переносимости и зачастую использовали программы наподобие «The PFORT Verifier» для выявления несовместимых расширений.

Несовместимые расширения были не единственной проблемой. Существовал ряд проблем с численными вычислениями. Позже была развита и внедрена практически универсальная идея двоичной арифметики с плавающей запятой.

Доступ к исполняемой среде (например, к командной строке, переменным среды) был весьма затруднителен, пока на это не обратили на это внимание в стандарте 2003 года.

Сейчас относительно просто реализовать полностью переносимую программу на Fortran.

Элементы синтаксиса:

Комментарий до конца строки	! или * в первом символе строки
Регистрозависимость	Нет
Регулярное выражение идентификатора переменной	[_a-zA-Z0-9]{0-n}
Присваивание значения переменной	=
Объявление переменной	type:: variable
Объявление переменной с присваиванием значения	type:: variable = value
Группировка выражений	()
Блок	do ... end do
Равенство	= или.EQ.
Неравенство	/= или.NE.
Сравнение	== < > <= >= <> или.LT. .GT. .LE. .GE.
Вызов функции	CALL f(a,b...)
Вызов функции без параметров	CALL f
Последовательность	конец строки
Если - то	if condition then ... end if
Если - то - иначе	if condition then ... else ... endif
Цикл с постусловием	DO ... WHILE (condition)
Цикл for - next для диапазона целых чисел с инкрементом на 1	do label i = 1, 10
Цикл for - next для диапазона целых чисел с декрементом на 1	do label i = 10, 1, -1

Примеры:

Hello, World!:

Пример для версий Intel Visual Fortran 11.1 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Этот пример написан в свободном формате, поддерживаемом Fortran 90 и последующими стандартами, а также диалектом .

Fortran 90-style comment program HelloWorld print * , "Hello, World!" end program HelloWorld

Факториал:

Пример для версий Intel Visual Fortran 11.1 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Используется итеративное определение факториала и свободный формат программы. Спецификации формата I и A используются для вывода чисел в десятичном формате и строк, соответственно. При вычислении факториалов 13-16 возникает арифметическое переполнение, не вызывающее ошибку, поэтому выводятся неправильные значения:

13! = 1932053504
14! = 1278945280
15! = 2004310016
16! = 2004189184

program Factorial integer :: f , n f = 1 n = 0 do print "(I2, A, I10)" , n , "! = " , f n = n + 1 f = f * n if (n == 17 ) then exit end if end do end program Factorial

Числа Фибоначчи:

Пример для версий Intel Visual Fortran 11.1 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Используется итеративное определение чисел Фибоначчи. Самое сложное в этом примере — вывод вычисленных значений в нужном формате, в одну строку и без лишних пробелов. Спецификация формата (I3, A, $) означает, что вначале выводится целое число в десятичном формате, шириной ровно три символа, затем выводится строка, и наконец, $ подавляет перевод строки, используемый командой print по умолчанию, так что все выводится в одну строку. Отметим, что в диалекте спецификатор формата $ не является стандартным; программа работает, но при компиляции выводит предупреждение об этом.

program Fibonacci integer :: f1 , f2 , f3 , i i = 1 f1 = 0 f2 = 1 do f3 = f2 + f1 f1 = f2 f2 = f3 i = i + 1 if (f1 < 10 ) then print "(I1, A, $)" , f1 , ", " elseif (f1 < 100 ) then print "(I2, A, $)" , f1 , ", " else print "(I3, A, $)" , f1 , ", " end if if (i == 17 ) then exit end if end do print * , "..." end program Fibonacci

Квадратное уравнение:

Пример для версий g95 0.93 , gfortran 4.5.0

В примере используется встроенный тип данных complex . // — оператор конкатенации строк. Число перед скобками в описании формата означает количество раз, которые повторяется формат в скобках (в данном случае дважды — для первого и второго корней).

program Quadratic integer :: a , b , c real :: d , p1 , p2 complex :: cp2 read (* , * ), a if (a == 0 ) then write (* , * ) "Not a quadratic equation" stop end if read (* , * ) b read (* , * ) c d = b * b - 4 * a * c p1 = - b / 2.0 / a if (abs (d ) < 1.0e-9 ) then write (* , "(A, F8.3)" ) "x = " , p1 elseif (d > 0 ) then p2 = sqrt (d ) / 2.0 / a write (* , "(2(A, F8.3))" ) "x1 = " , p1 + p2 , char (13 ) // char (10 ) // "x2 = " , p1 - p2 else cp2 = sqrt (cmplx (d )) / 2.0 / a write (* , "(2(A, F8.3, F8.3), A)" ) "x1 = (" , p1 + cp2 , ")" // char (13 ) // char (10 ) // "x2 = (" , p1 - cp2 , ")" end if end

Hello, World!:

Пример для версий f2c 20090411 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

FORTRAN 77); первые шесть символов каждой строки зарезервированы под служебную информацию — отметки о том, что строка является комментарием или продолжением предыдущей, метки и номера строк. Стандартный набор символов Fortran не содержит символов нижнего регистра, поэтому все программы пишутся в верхнем регистре. Исключением из этого правила являются символьные константы — они могут содержать любые символы, которые поддерживаются системой.

Первая строка дает этому фрагменту кода имя HELLO и указывает на то, что он является основной программой. Имя программы подчиняется тем же правилам, что и любые имена идентификаторов, т.е. должно начинаться с буквы и содержать не более 6 символов.

Команда WRITE реализует вывод на печать. В скобках передается список управляющих параметров, настраивающих вывод: UNIT выбирает файл вывода (по умолчанию — консоль), FMT — формат вывода. Звездочки означают параметры по умолчанию. Имена параметров передавать не обязательно, сокращенно эта же команда выглядела бы как WRITE (*, *) ... .

В большинстве реализаций строковая константа может заключаться как в одинарные кавычки, так и в двойные.

A simple Hello, World! program PROGRAM HELLO WRITE (UNIT =* , FMT =* ) "Hello, World!" END

Факториал:

Пример для версий f2c 20090411 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Этот пример написан в фиксированном формате (стиль FORTRAN 77) и использует итеративное вычисление факториала.

Fortran позволяет пропускать объявления переменных; в таком случае он выводит их типы сам, но, в отличие от более поздних языков, не по контексту использования переменной, а по ее имени — если первая буква названия I..N, выбирается тип INTEGER , иначе — REAL . В данном случае обе переменные целые.

Цикл DO в данном случае соответствует циклу FOR более поздних языков: счетчик цикла N последовательно пробегает все значения от 0 до 16. Тело цикла заканчивается на строке с меткой 1 , которая указана в заголовке цикла.

Команда PRINT использует формат вывода по умолчанию, который варьируется в зависимости от используемого компилятора.

PROGRAM) C . Из-за этого после посимвольного заполнения строки CC , содержащей результат, остаток строки приходится заполнять пробелами вручную.

Проверка того, что очередной символ исходной строки является буквой, слишком длинна, чтобы поместиться в одну строку (все символы строки программы, начиная с 73-ей позиции, игнорируются), поэтому ее приходится разбивать на две строки и отмечать вторую как продолжение первой (любым символом в 6 позиции).

Операторы сравнения в FORTRAN 77 записываются как.LE. , .GE. и т.д. из-за того, что символы > и < не входят в набор символов языка; они были добавлены только в Fortran 90.

PROGRAM CAMELC CHARACTER TEXT * 30 , CC * 30 LOGICAL LSPACE READ (* , "(A)" ) TEXT NCC = 0 LSPACE = .TRUE. DO 1 , I = 1 , LEN (TEXT ) NC = ICHAR (TEXT (I : I )) IF (NC .GE. 65 .AND. NC .LE. 90 .OR. > NC .GE. 97 .AND. NC .LE. 122 ) THEN IF (LSPACE ) THEN IF (NC .GE. 97 .AND. NC .LE. 122 ) THEN NC = NC - 32 END IF ELSE IF (NC .GE. 65 .AND. NC .LE. 90 ) THEN NC = NC + 32 END IF END IF NCC = NCC + 1 CC (NCC : NCC ) = CHAR (NC ) LSPACE = .FALSE. ELSE LSPACE = .TRUE. END IF 1 CONTINUE DO 2 , I = NCC + 1 , LEN (CC ) 2 CC (I : I ) = " " WRITE (* , * ) CC END

Впервые я услышал о Фортране в раннем детстве от отца. Он рассказывал, что в 70-х годах ему приходилось часами выстаивать очереди к едва ли не единственной ЭВМ в ВУЗе, дабы используя перфокарту запустить примитивный код. Признаюсь честно, с тех пор и до недавнего времени (несмотря на полученное техническое образование) я пребывал в полной уверенности, что Фортран остался где-то далеко там, в мире, где носителями информации выступают странные картонки с дырками, а компьютеры стоят так дорого, что воспринимаются, как настоящий аттракцион.

Каково же было моё удивление, когда я узнал, что Фортран не просто ещё где-то используется, он развивается, востребован и по-прежнему актуален. Если вы также до этого момента полагали, что Фортран давно носит статус мертвеца, то вот вам несколько интересных фактов, почему он ещё ходит.

Пережил минимум 10 обновлений

В действительности, тот Фортран о котором вы слышите от преподавателей в школе или университете был создан в период с 1954 по 1957 года. Он вошёл в историю, как первый полностью реализованный язык высокого уровня, совершил маленький прорыв в IT-мире, но по сути был не слишком удобен и функционален. “Допиливать” его в IBM принялись практически сразу, уже в 1958 году появился FORTRAN II и параллельно FORTRAN III. Но более-менее приличный вид он приобрёл лишь в 70-х, когда появились достаточно портативные машины, когда был разработан полноценный стандарт IBM FORTRAN IV, и появился FORTRAN 66 с циклами, метками, условными операторами, командами ввода/вывода и прочими по современным меркам примитивными возможностями.

Последняя версия появилась в 2010 году, её название Fortran 2008 (как видите, в ходе истории, название перестало писаться исключительно заглавными буквами), отличительной чертой которой являются всевозможные параллельные вычисления, положительно сказывающиеся, как на скорости обработки данных, так и на размерности обрабатываемых массивов. Кроме того, на 2018 год запланирован выход Fortran 2015. Из анонса следует, что в нём будет улучшена интеграция с С, а также устранены текущие недоработки.

Входит в 30 самых популярных языков программирования

На сегодняшний день 0,743% запросов в поисковых системах относительно языков программирования посвящену именно Фортрану. Чтобы вы поняли, насколько это круто, просто представьте, что такие языки, как Lisp, Scala, Clojure, LabVIEW, Haskell, Rust и VHDL, находятся в рейтинге ниже.

Может работать на Android (и не только)

Компиляторы для Фортана за его долгую историю разрабатывались такими компаниями, как IBM, Microsoft, Compaq, HP, Oracle, благодаря чему сегодня язык совместим с Windows, Mac OS и Linux. Более того, удобное приложение с компилятором теперь можно взять с собой, благодаря приложению CCTools для Android. Можно запустить компилятор и на вашем iPhone, но в этом случае немного поколдовать.

Конкурирует с MATLAB

Пока в этом тексте не было сказано главного, а именно области применения Фортрана. Так вот это язык, востребованный в науке и инженерии, полностью или частично применяемый для прогноза погоды, океанографии, молекулярной динамики, сейсмологического анализа. В общем, это самый настоящий “Data Science”-язык родом из времени, когда в массовую продажу впервые поступил калькулятор.

При этом стоит признать, что частично своей популярностью Фортран обязан наследию. За долгие годы практически без конкуренции язык оброс огромной базой клиентов, библиотек и надстроек. Кроме того, каждая следующая версия Фортрана неизбежно поддерживает предыдущие. Поэтому сложилась ситуация, когда отсутствуют какие-либо существенные факторы, для того, чтобы учёные и инженеры вынуждены были отказаться от этого союза.

По сути, главным конкурентом Фортрана на сегодняшний день является MATLAB, который более универсален, более функционален и удобен. Однако MATLAB при этом имеет строгие ограничения по используемому ПО, достаточно дорого стоит и в большинстве случаев просто излишен.

Имеет относительно безоблачное будущее

Безусловно, мы не можем предсказать, что будет через 10-20 лет, и как за это время изменится IT-мир. Однако, если посмотреть на возможных новых конкурентов для Фортрана (таких, как Go), их главный недостаток - универсализация. То есть создатели Fortran очень быстро наметили целевую аудиторию в виде учёных, их мнение и пожелания имеют приоритетное значение. Поэтому трудно представить, что завтра они откажутся от своего “спецзаказа” ради какой-то модной тенденции. Именно на основании этого можно утверждать, что ещё одно поколение Фортран отходит смело.

А потом они просто выпустят новую версию.

• Перевод

Не знаю, как будет выглядеть язык программирования в 2000-м году, но я знаю, что называться он будет FORTRAN.
- Чарльз Энтони Ричард Хоар, ок. 1982

В индустрии Fortran сегодня используется редко – в одном из списков популярных языков он оказался на 28-м месте . Но Fortran всё ещё главный язык для крупномасштабных симуляций физических систем – то есть для таких вещей, как астрофизическое моделирование звёзд и галактик (напр. Flash), крупномасштабной молекулярной динамики, коды подсчёта электронных структур (SIESTA), климатические модели, и т.п. В области высокопроизводительных вычислений, подмножеством которых являются крупномасштабные числовые симуляции, сегодня используются лишь два языка – C/C++ и «современный Fortran» (Fortran 90/95/03/08). Популярные библиотеки Open MPI для распараллеливания кода были разработаны для двух этих языков. В общем, если вам нужен быстрый код, работающий на нескольких процессорах, у вас есть только два варианта. В современном Fortran есть такая особенность, как "coarray ", позволяющая прямо в языке работать с параллельным программированием. Coarray появились в расширении Fortran 95, а затем были включены в Fortran 2008.

Активное использование Fortran физиками часто приводит в замешательство специалистов по информатике и других не связанных с этой областью людей, которым кажется, что Fortran – исторический анахронизм.

Я хотел бы объяснить, почему Fortran всё ещё остаётся полезным. Я не призываю изучающих физику студентов учить Fortran – поскольку большинство из них будут заниматься исследованиями, им лучше заняться изучением C/C++ (или остановиться на Matlab/Octave/Python). Я хотел бы пояснить, почему Fortran всё ещё используется, и доказать, что это не только из-за того, что физики «отстают от моды» (хотя иногда это так и есть – в прошлом году я видел студента-физика, работавшего с кодом Fortran 77, при этом ни он, ни его руководитель ничего не слышали про Fortran 90). Специалисты по информатике должны рассматривать преобладание Fortran в числовых вычислениях как вызов.

Перед тем, как углубиться в тему, я хочу обсудить историю, поскольку, когда люди слышат слово «Fortran», они сразу представляют себе перфокарты и код с пронумерованными строками. Первая спецификация Fortran была написана в 1954 году. Ранний Fortran (тогда его название писалось заглавными буквами, FORTRAN), был, по современным меркам, адским языком, но это был невероятный шаг вперёд от предыдущего программирования на ассемблере. На FORTRAN часто программировали при помощи перфокарт, как об этом без удовольствия вспоминает профессор Мириам Форман из университета Стони Брук. У Fortran было много версий, самые известные из которых – стандарты 66, 77, 90, 95, 03 и 08.

Часто говорят, что Fortran до сих пор используют из-за его скорости. Но самый ли он быстрый? На сайте benchmarksgame.alioth.debian.org есть сравнение C и Fortran в нескольких тестах среди многих языков. В большинстве случаев Fortran и C/C++ оказываются самыми быстрыми. Любимый программистами Python часто отстаёт в скорости в 100 раз, но это в порядке вещей для интерпретируемого кода. Python не подходит для сложных числовых вычислений, но хорошо подходит для другого. Что интересно, C/C++ выигрывает у Fortran во всех тестах, кроме двух, хотя в целом по результатам они мало отличаются. Тесты, где Fortran выигрывает, наиболее «физические» – это симуляция системы из n тел и расчёт спектра. Результаты зависят от количества ядер процессора, например, Fortran немного отстаёт от C/C++ на четырёхъядерном. Тесты, в которых Fortran сильно отстаёт от C/C++, большую часть времени занимаются чтением и записью данных, и в этом отношении медлительность Fortran известна.

Так что, C/C++ настолько же быстрый, насколько Fortran, а иногда и немного быстрее. Нас интересует, «почему профессора физики продолжают советовать своим студентам использовать Fortran вместо C/C++?»

У Fortran есть унаследованный код

Благодаря долгой истории Fortran, неудивительно, что на нём написаны горы кода по физике. Физики стараются минимизировать время на программирование, поэтому, если они найдут более ранний код, они будут его использовать. Даже если старый код неудобочитаемый, плохо документированный и не самый эффективный, чаще использовать старый проверенный, чем писать новый. Задача физиков – не писать код, они пытаются понять природу реальности. У профессоров унаследованный код всегда под рукой (часто этот код они сами и писали десятилетия назад), и они передают его своим студентам. Это сохраняет их время и удаляет неопределённости из процесса устранения ошибок.

Студентам-физикам изучать Fortran легче, чем C/C++

Я думаю, что изучать Fortran легче, чем C/C++. Fortran 90 и C очень похожи, но на Fortran писать проще. C – язык сравнительно примитивный, поэтому физики, избирающие себе C/C++, занимаются объектно-ориентированным программированием. ООП может быть полезным, особенно в крупных программных проектах, но изучать его гораздо дольше. Нужно изучать такие абстракции, как классы и наследование. Парадигма ООП очень отличается от процедурной, используемой в Fortran. Fortran основан на простейшей процедурной парадигме, более приближенной к тому, что происходит у компьютера «под капотом». Когда вы оптимизируете/векторизуете код для увеличения скорости, с процедурной парадигмой легче работать. Физики обычно понимают, как работают компьютеры, и мыслят в терминах физических процессов, например, передачи данных с диска в RAM, а из RAM в кэш процессора. Они отличаются от математиков, предпочитающих размышлять в терминах абстрактных функций и логики. Также это мышление отличается от объектно-ориентированного. Оптимизация ООП-кода более сложна с моей точки зрения, чем процедурного. Объекты – очень громоздкие структуры по сравнению со структурами данных, предпочитаемыми физиками: массивами.

Лёгкость первая: работа Fortran с массивами

Массивы, или, как их зовут физики, матрицы, находятся в сердце всех физических вычислений. В Fortran 90+ можно найти много возможностей для работы с ними, схожих с APL и Matlab/Octave. Массивы можно копировать, умножать на скаляр, перемножать между собой очень интуитивным образом:

A = B A = 3.24*B C = A*B B = exp(A) norm = sqrt(sum(A**2))
Здесь, A, B, C – массивы некоторой размерности (допустим, 10x10x10). C = A*B даёт нам поэлементное перемножение матриц, если A и B одного размера. Для матричного умножения используется C = matmul(A,B). Почти все внутренние функции Fortran (Sin(), Exp(), Abs(), Floor(), и т.д.) принимают массивы в качестве аргументов, что приводит к простому и чистому коду. Похожего кода в C/C++ просто нет. В базовой реализации C/C++ простое копирование массива требует прогона for циклов по всем элементам или вызова библиотечной функции. Если скормить массив не той библиотечной функции в С, произойдёт ошибка. Необходимость использования библиотек вместо внутренних функций означает, что итоговый код не будет чистым и переносимым, или лёгким в изучении.

В Fortran доступ к элементам массива работает через простой синтаксис A, когда в C/C++ нужно писать A[x][y][z]. Элементы массивов начинаются с 1, что соответствует представлениям физиков о матрицах, а в массивах C/C++ нумерация начинается с нуля. Вот ещё несколько функций для работы с массивами в Fortran.

A = (/ i , i = 1,100 /) B = A(1:100:10) C(10:) = B
Сначала создаётся вектор A через подразумеваемый цикл do, также известный, как конструктор массивов. Затем создаётся вектор B, состоящий из каждого 10-го элемента А, при помощи шага в 10. И, наконец, массив B копируется в массив С, начиная с 10-го элемента. Fortran поддерживает объявления массивов с нулевыми или отрицательными индексами:

Double precision, dimension(-1:10) :: myArray
Отрицательный индекс сначала выглядит глупо, но я слышал об их полезности – например, представьте, что это дополнительная область для размещения каких-либо пояснений. Fortran также поддерживает векторные индексы . Например, можно передать элементы 1,5 и 7 из массива A размерностью N x 1 в массив B размерностью 3 x 1:

Subscripts = (/ 1, 5, 7 /) B = A(subscripts)
Fortran поддерживает маски массивов во всех внутренних функциях. К примеру, если нам нужно посчитать логарифм всех элементов матрицы, больших нуля, мы используем:

Log_of_A = log(A, mask= A .gt. 0)
Или мы можем в одну строку обнулить все отрицательные элементы массива:

Where(my_array .lt. 0.0) my_array = 0.0
В Fortran легко динамически размещать и освобождать массивы. К примеру, для размещения двумерного массива:

Real, dimension(:,:), allocatable:: name_of_array allocate(name_of_array(xdim, ydim))
В C/C++ для этого требуется следующая запись :

Int **array; array = malloc(nrows * sizeof(double *)); for(i = 0; i < nrows; i++){ array[i] = malloc(ncolumns * sizeof(double)); }
Для освобождения массива в Fortran

Deallocate(name_of_array)
В C/C++ для этого

For(i = 0; i < nrows; i++){ free(array[i]); } free(array);

Лёгкость вторая: не нужно беспокоиться об указателях и выделении памяти

В языках вроде C/C++ все переменные передаются по значению, за исключением массивов, передающихся по ссылке. Но во многих случаях передача массива по значению имеет больше смысла. Например, пусть данные состоят из позиций 100 молекул в разные периоды времени. Нам необходимо анализировать движение одной молекулы. Мы берём срез массива (подмассив) соответствующий координатам атомов в этой молекуле и передаём его в функцию. В ней мы будем заниматься сложным анализом переданного подмассива. Если бы мы передавали его по ссылке, переданные данные не располагались бы в памяти подряд. Из-за особенностей доступа к памяти работа с таким массивом была бы медленной. Если же мы передадим его по значению, мы создадим в памяти новый массив, расположенный подряд. К радости физиков, компилятор берёт на себя всю грязную работу по оптимизации памяти.

В Fortran переменные обычно передаются по ссылке, а не по значению. Под капотом компилятор Fortran автоматически оптимизирует их передачу для повышения эффективности. С точки зрения профессора в области оптимизации использования памяти компилятору стоит доверять больше, чем студенту! В результате физики редко используют указатели, хотя в Fortran-90+ они есть .

Ещё несколько примеров отличий Fortran и C

В Fortran есть несколько возможностей для управления компилятором при поиске ошибок и оптимизации. Ошибки в коде можно отловить на этапе компиляции, а не при выполнении. К примеру, любую переменную можно объявить как параметр, то есть константу.

Double precision, parameter:: hbar = 6.63e-34
Если параметр в коде меняется, компилятор возвращает ошибку. В С это называется const

Double const hbar = 6.63e-34
Проблема в том, что const real отличается от простого real. Если функция, принимающая real, получит const real, она вернёт ошибку. Легко представить, как это может привести к проблемам функциональной совместимости в коде.

В Fortran также есть спецификация intent, сообщающая компилятору, является ли передаваемый в функцию аргумент входным, выходным, или одновременно входным и выходным параметром. Это помогает компилятору оптимизировать код и увеличивает его читаемость и надёжность.

В Fortran есть и другие особенности, используемые с разной частотой. К примеру, в Fortran 95 есть возможность объявлять функции с модификатором pure [чистый]. У такой функции нет побочных эффектов – она меняет только свои аргументы, и не меняет глобальные переменные. Особым случаем такой функции служит функция elemental, которая принимает и возвращает скаляры. Она используется для обработки элементов массива. Информация о том, что функция pure или elemental, позволяет компилятору проводить дополнительную оптимизацию, особенно при распараллеливании кода.

Чего ждать в будущем?

В научных подсчётах Fortran остаётся основным языком, и в ближайшее время исчезать не собирается. На опросе среди использующих этот язык посетителей конференции «2014 Supercomputing Convention» 100% из них сказали, что собираются использовать его в ближайшие 5 лет. Из опроса также следует, что 90% использовали смесь из Fortran и C. Предвидя увеличение смешивания этих языков, создатели спецификации Fortran 2015 включают в неё больше возможностей для функциональной совместимости кода. Код Fortran всё чаще вызывается из кода на Python. Специалисты по информатике, критикующие использование Fortran, не понимают, что этот язык остаётся уникально приспособленным для того, в честь чего он был назван - FOrmula TRANslation, перевода формул, то есть, преобразования физических формул в код. Многие из них не догадываются, что язык развивается и постоянно включает всё новые возможности.

Называть современный Fortran 90+ старым, это всё равно, что называть старым C++, из-за того, что C разработали в 1973. С другой стороны, даже в самом новом стандарте Fortran 2008 существует обратная совместимость с Fortran 77 и большей частью Fortran 66. Поэтому разработка языка сопряжена с определёнными трудностями. Недавно исследователи из MIT решили преодолеть эти трудности, разработав с нуля язык для HPC по имени Julia , впервые вышедший в 2012 году. Займет ли Julia место Fortran, ещё предстоит увидеть. В любом случае, подозреваю, что это будет происходить очень долго.

Теги:

• fortran
• научное программирование

Добавить метки