科学计算Fortran-er的生存指南:开篇

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  • 如果你正在使用、正准备学习使用Fortran ,希望这里的内容能帮助你。
  • 如果你正在做一些科学计算,希望这里的方法能给你帮助或启发。
  • 如果你并非必须使用Fortran,建议学习其它高级语言,比如Python。

〇、前言

Fortran这个名字是FORmula TRANslation(公式翻译)的意思,自诞生之日,就承担着将科学计算公式翻译为电脑认识并能够执行的语言功能。我所接触到的航天、导航领域,核心软件的所使用的代码中,fortran依然占据着大半的江山。

大学的时候初识的编程语言是C,随后又接触到了Java,Python。与这些语言比较,Fortran不是优美的,也不是功能性完善的语言,但是在科学计算领域却不能对它置之不理、视而不见。自Fortran诞生,半个多世纪已经过去了,依然这么多Fortran程序存在的原因,与其说是因为Fortran语言在不断焕发着新的活力(这个原因有人相信那才是见鬼了),倒不如说是因为几乎是每一个搞科学计算程序的人都绕不过fortran这个大水坑。

因为种种原因,我迫不得已在这个水坑中挣扎了很久,总结了一些经验,希望其他Fortran-er在入坑的时候能够使用的姿势(知识_)。希望每一个Fortran-er都能够早日离开水坑,就算迫不得已还在水坑中,也要用正确的姿势游起来。

一、人类语言与编程语言:如何学习编程语言

与日常交流的人类语言相比,编程语言就是一门语法更加严格的外语。人类语言交流的对象是人,而编程语言交流的对象是计算机。由于计算机的理解能力不够,只能理解唯一性含义的语言,不能接受“一语双关”的歧义性的语言,因此编程语言的语法更加严格。编程语言使用语法约束限制每条编程语句只能有唯一确切的含义,如果你不幸写出了“双关”的语句,在执行的时候计算机会报警,也就是告诉你“我不懂你在说什么。”

Fortran作为一门“语言”,最重要的是将想要说出的意思“表达”清楚。编程语言的语法只是规则,是辅助,是为了能清楚表达语言含义的辅助约定。

不幸的是,翻阅Fortran的主要学习材料、参考书籍,甚至C语言的许多畅销参考书,大部分篇幅都是在介绍这个编程语言的语法是怎样怎样,而不是告诉我们如何“表达”。这就像在上学的时候学习的英语一样,即使老师把英语语法讲的再清楚,我仍然是写不出一份优美的英语作文。正确的英语学习方式,是多读、多听、多写、多说。编程语言的学习也是这样的,即使学了再多的语法,也不能写出优秀的代码。

编程语言的正确学习方式应该是多读、多写。这里的多读是指从书上的代码示例、已有的优秀代码中消化吸收,学习如何“表达”某个含义;多写也不是简单的复制粘贴,是根据需要“表达”的意思,将代码语句重组,实现“表达”的目的。

代码,体会代码中遵照的语法;消化吸收代码示例、已有的优秀代码,多写多练。

二、学习Fortran的原因

Fortran在现代众多的编程语言中,并没有C,Java这样巨大的用户群体,也就是说Fortran就好比是编程语言中的小语种。Fortran之所以在目前仍在使用,而且短时间内仍会继续存在的原因为

作为诞生最早的高级编程科学计算语言,许多专业领域已经积累了大量Fortran语言编写的库代码。这些库代码经过了实践的反复检验,在短时间内不能被重写为同样可靠的其它语言代码。

学习Fortran的最关键的原因:站在前人的肩膀上继续开展科学计算工作。虽说C、Python等语言都能够调用Fortran进行计算,但是由于外部计算环境限制,只能选择使用Fortran开发代码。此外,另一个重要原因是:Fortran在向量、矩阵的相关等计算方面十分高效,适合开发对计算效率要求较高的计算程序。

简单总结一下Fortran的优点与缺点

(一)Fortran的优点大致包括:

  1. 优秀的向量、矩阵处理能力,适合编写科学计算程序;
  2. 语言功能简单,语法简单,就像一个超级计算器,易于上手与学习。

(二)Fortran的缺点大致包括:

  1. 语言功能简单,能够实现的功能与C语言等相比相差甚远。
  2. 一些语法过于随意:
    • 臭名昭著的跳转语句GOTO;
    • 默认类型声明语句IMPLICIT;
    • 不定大小的形参数组。
  3. 多数历史Fortran库代码的可读性不佳,尤其是固定格式(*.f文件)的Fortran代码。

三、Fortran编译环境

在Unix/Linux系统环境下,接触到的是Intel的ifort与Sun Studio的f95两种编译器。在Windows系统下,微软提供的Visual Studio是许多人用于开发C++、C#的利器,搭配Intel的Parallel Studio XE后则可以编译Fortran代码。

不过,个人还是更加喜欢并且推荐:Code::Blocks编辑器

Code::Blocks的优势在于:

  • 开发环境启动快,不像VS那样每次启动时都可以去喝一杯咖啡了,因此适合个人开发简单程序。
  • C::B的编译器使用第三方提供编译器,如GNU GCC、GNU Fortran,这些编译器都是更加遵照语言标准编译器,不像VS有许多自制的规定,因此更加适合用于学习。

C::B编辑器默认使用GNU GCC用于编译C语言代码,此外在C::B下载页面发布的Windows系统适用版本"codeblocks-16.01mingw_fortran-setup.exe"包含了fortran的编译器,不需要额外工具。

官网下载地址: http://www.codeblocks.org/downloads/26

开篇.JPG

不过,C::B默认的工程都是C/C++的项目,所以即使在“新建工程”的时候选择的是Fortran项目,C::B的默认编译器仍然是GNU GCC Compiler,因此要在建立项目的时候,应注意选择编译器为GNU Fortran Compiler。如此,就能够在C::B编辑器下顺利编译Fortran了。

后续《科学计算Fortran-er的生存指南》文章敬请期待。

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