Fortran学习

没想到2020年了我还在学习Fortran，因为老师说组里的人都用的Fortran，虽然我还是更偏向C++但暂且还是得会用Fortran吧，简单学习一下~

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1 Fortran基础知识

• &符号标记下一行继续书写

• Fortran程序单元：

1. 声明，位于程序开头(变量声明放一起)
2. 执行
3. 终止, end program

必须按这顺序来，比如声明不能插到执行语句里面，这点让我有点没法接受。

• 变量类型声明

  integer:: var1, var2
  real:: var1
  character(len=*) :: var1    !没数字时默认长度为1,若字符赋值长度小于len，则多余的用空格补
  logical :: var1
  type, parameter :: PI = 3.14    !常数定义，type为前面四种

• 整数和实数的转换

  integer:: x
  x2=real(x)
  x3=nint(x2) !四舍五入

• 尽可能使用整形指数、因为实数的幂精度更低

• fortran中乘方操作符是**：a**b

• 永远不要对负数进行实数幂运算(没有定义负数的自然对数)

• 输入输出

  real a
  read(*,*) a !输入时用逗号或空格分隔
  ! 第一数据域： 从哪个输入输出单元读入，*表示计算机标准输入
  ! 第二数据域： 读入数据的格式，*表示表控输入（自由格式输入）

• implicit none: 必须显示声明变量

2 分支结构

• 逻辑数据类型： .true. 和 .false. (注意有两个句点)

• /=，不等于 的写法比较特殊

• if分支

  if (condition) then
    ...
  end if

• select case (expr)  !根据expr的值判断属于哪个case
    case (1)
        ...
    case (2,3,4)
        ...
    case (5:)
        ...
    case default
        ...
  end select

• 写分支条件时时刻考虑四舍五入误差！尽量用不等式而不是==

  if (abs(x-10.)<=1.e-5)  then
    ...
  end if

3 循环和字符操作

• DO循环

  do
    ...
  end do

• DO WHILE循环(一般不用或尽量少用)

  do while (condition)
    ...
  end do

• DO计数循环

  do i = start, end, incr
   ...
  end do

• CYCLE和EXIT语句

  do i=1,5
    if (i==3) cycle !相当于continue，退出当前循环
    if (i==4) exit  !直接退出外层循环
    write(*,*) i
  end do

• 字符串小tips

  character(len=12) :: a='hello'//'world'//"as"   !连接操作符
  write(*,*) a(1:1)   !子串抽取方式

4 基本I/O操作

• 格式化write

  write(*,100) i,result
  100 format ('The result for iteration ', I3, ' is ', F7.3)
  !100为语句标号， I3表示3个字符宽，F7.3表示7个字符宽、三位小数

• 格式描述符汇总：(以输出为例，输入差不多)

1. 整数输出——I

   rIw.m
   !其中 r代表重复计数（使用次数、即有多少变量套用该格式）
   ! w代表域宽、即字符总数
   ! m代表显示的最小位数

2. 实数输出——F

   rFw.d
   ! d代表小数位数

3. 指数计数法输出——E

   rEw.d
   ! 一般w>=d+7

4. 科学计数法——ES

   rESw.d
   ! 同上，为了不让星号填充需要w>=d+7

5. 逻辑输出——L

   rLw
   !一般为右对齐

6. 字符输出——A

   rA(w)
   !也是右对齐

7. 水平定位——X和T

   nX  Tc
   !n为要插入的空格数， c为列号
   ! Tc跳转到特定一列

8. 格式可通过()进行嵌套

9. 改变输出行—— /,可单独放在一个逗号里或和接在其他格式符之后

   write(*,100) a,b
   100 format（1X,F7.0/,/,F7.1）
   ! 推荐在format开头写1X空一格

10. 双精度输出——D编辑符

    Dw.d
    !使用方法与E编辑符相仿，只是把字母“E”换成“D”。F编辑符也可用于双精度数据的输出，和用于实型数据输出相似。

• 文件处理

  open(unit = fp, file = 'filename', status = 'unknown', iostat = ierr)
  ! fp为一个数字，I/O单元号； status为old时打开旧文件、new打开新文件、replace替换文件、scratch打开临时文件
  write(fp,100) x
  100 format (...)
  close(unit=fp)

5 数组

• 声明数组

  type, dimension(n) :: arr
  (/1,2,3,4,5/)   !数组建构器
  !下标默认从1到n
  integer, dimension(5)::arr2=(/  (i,i=1,5) /)
  ! 隐式DO循环

• 指定下标范围

  real, dimension(0:5)::arr3

• 数组操作

1. 维度相同的两个数组可以直接相加减（相当于每个元素加减）
2. 指定部分数组：

   real, dimension(n) :: arr=(/1,2,3,4,5/)
   arr(:)  !整个数组
   arr(1:3:1)    !第三个数为增量，若省略则默认1
   arr(:5) !从起始到下标为5的数
   arr(::1)    !1代表增量，前面一个:代表整个数组

• 时刻记得隐式Do循环

  write(*,*)  (arr(i), i=1,5,1)
  ! arg1,arg2,..., index=istart,iend,incr

6 过程

6.1 子程序（subroutine）

subroutine name(a,b,c)
    real, intent(in):: a(*) !无法检测越界，不应该用这种形式
    !tip: 永远别用不定大小的形参数组

    real, intent(in):: b
    character(len=*), intent(in) :: string  !*声明字符变量长度
    real, intent(out):: c
    ! intent属性声明输入输出
end subroutine name

call name(arg)

• 指针，pass-by-reference: 子程序和主程序是用地址传递方案通信的！
  (注意主程序和子程序相对应的参数类型一致)

• tip: 永远不要在子程序中使用stop语句

• 子程序能够作为参数传递

  subroutine sub_as_arg(sub,x)
  external:: sub
  !作为参数传递时需要声明external
  real, intenet(in)::x
  end subroutine sub_as_arg

6.2 模块

• 一种提供程序单元共享数据的方式(独立编译)

  module modulename
    implicit none
    save !保证在模块中声明的数据被保护在不同过程间的引用中，一定记得加
    real, dimension(5)::arr
    contains    ! 模块也可以含子程序和函数
        subroutine sub1()
        ...
        end subroutine sub1
  end module modulename
  use modulename

• 为什么要在模块里套个子程序？直接写个子程序文件也行啊
  答： 模块中编译过程和使用模块时，过程接口的所有细节对编译器都是有效的，即编译器可以捕捉程序员调用时可能犯的错误（如参数类型、个数错误）， explicit interface。而不在模块里的过程为implicit interface

• 推荐把过程放在模块里

6.3 函数(function subprogram)

• 声明函数

  integer function name(a)
  ! or
  function name(a)
  integer :: name
  !注意函数声明和调用时都要声明其类型

• 函数有多个输入和一个输出，当需要多个输出时请用子程序!!

• 函数记得用intent(in)声明所有输入参数，防止函数意外修改（函数和子程序都是通过指针传参的）

• 函数可以当做参数传递，前提是被声明为外部量（external）

  real, external :: func1

7 数组的高级特性

• 多维数组real,dimension(3,6)::sum
  多维数组内存分配： 一列一列来的

• 以列储存数组数据、按行序读取数据
  (第一个下标变化最快、最后一个下标变化最慢)

• 数组构造器产生一维数组，需要借助reshape初始化多维数组

  real,dimension(4,3)::arr
  arr=reshape((/1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,3,3/),(/4,3/))
  !数列为：
  ! 1 2 3
  ! 1 2 3
  ! 1 2 3
  ! 1 2 3

• 用read语句能够方便地初始化多维数组

  !文件数据为： 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3
  real,dimension(4,3)::arr
  open(unit = 7, file = 'data.dat', status = 'old', iostat = ierr)
  read(7,*) arr
  !当然也可以使用类似 ((arr(i,j),j=1,3),i=1,4) 的隐式do循环，不过麻烦一点；但可以避免矩阵转置的问题

• masked array assignment， 对多个数组元素进行操作
  (对满足特定条件的元素执行指定操作)

  where(value>0.)
    logval=log(value)
  elsewhere 
    logval=-99999.
  endwhere
  !value 可以是数组，where逐个对元素进行运算

• forall, 逐个操作数组元素

  forall(i=1:n,j=1:m,work(i,j)/=0.)
    work(i,j)=1./work(i,j)
  end forall
  ! 相比于嵌套的do循环，forall的优点在于语句可以按照任意顺来执行
  ! 若有多条语句，则上一条完全执行完了（对所有元素）再进行下一条的执行

• 可分配数组

  real, allocatable, dimension(:,:) :: arr1
  allocate(arr1(100,0:10),stat=status)
  ! 分配成功，stat返回0

• 传递多维数组

  !plan 1
  subroutine process (data,n,m)
  integer, intent(in)::n,m    !通过每一维度取值范围传递多维数组
  end subroutine process
  !plan 2
  subroutine process1 (data)
  real , intent(in), dimension(:,:) :: data   !不定结构的形参数组（只有子程序有显式接口时才能使用）
  ! 使用时常在子程序外套一个模块
  end subroutine process1
  !plan 3
  !不定大小的数组（用*代替最后一个维度），不应该再使用

• save属性和语句

  real,save::sums
  !保证在调用过程之间不修改保存的局部变量和数组。（需要多次调用时）
  ! save不能出现在与形参的关联中
  ! 类型声明中初始化的局部变量都会自动保存，隐含save属性

• fortran程序在退出过程后，默认所有局部变量和数组的值成为未定义，用save可以保存这些变量

  save:: var1,var2
  save    !不指定变量时，该过程或模块中所有的局部变量都会被无改变的保存起来

• 自动数组： 子程序中的非形参数组，过程完成后自动释放空间

• pure前缀的function或subroutine的限制：
  不修改输入参数、局部变量无save属性（不初始化）…

• elemental前缀，定义一个过程为‘逐元’的，即该过程用标量输入和输出定义。

• 内部过程
  内部过程（internal procedures）包含在宿主程序单元（host program unit）中，只能在宿主中调用，且能够访问宿主中的变量。用于完成一些重复低级操作

  program name
    ...
    contains
    real function name2(...)
        ...
    end function name2
  end program name

8 附加的内置数据类型

• real，默认4字节（32位），最多7个有效数字？

  real(kind=1):: val_1
  real(kind=2):: val_2
  real(kind=4):: val_3
  real(kind=8):: val_4
  !对不同计算机、一个32位的实数可能是kind=1，也可能是kind=4...
  write(*,'("The kind for single precision is ",I2)') kind(0.0)
  !可用上述命令判断计算机对类别号的定义

• 为了使程序移植性好，一般用selected_real_kind函数

  kind_number=selected_real_kind(p=precision,r=range)
  real(kind=kind_number)::var
  !   p为精度位数，r为所需指数范围(10^r)

9 派生数据类型

• 任何数值、元素组合在一起，定义用户自己的类型

  type :: type_name
    sequence    !当需要派生数据占据连续内存空间时使用，否则随机分配内存空间
    character(len=14):: first
    integer::age
    character:sex
  end type type_name
  type(type_name):: variables !声明此类型的变量
  var=type_name('first_var',18,'M')   !直接初始化方式
  var%age=15  !通过%访问成员

• 通常将一个程序中所有派生数据定义在一个模块中

• 派生数据类型的函数(常放入模块的contains里)

  type::vector
    ...
  end type vector
  type(vector) function vector_add(v1,v2)
    ...
  end function vector_add

• associate结构，临时关联某个变量或表达式，增强可读性(fortran2003特性)

  associate(x=>.... &
  y=>.... )
    statements
  end associate

10 过程和模块的高级特性

• 作用域相关

• 递归过程

  recursive subroutine name(n,result)
    ...
    call name(n-1,result)
  end subroutine
  recursive function fact(n) RESULT(answer)
  ! 对于递归函数比较特殊，需指定一个形参answer接受调用返回值
    answer=n*fact(n-1)
  end function fact

• 可选参数与参数顺序

  calc(first=3.,second=1.,third=2.)   !指定参数顺序，有可选参数时比较实用
  function calc(a,b,c)
  integer, intent(in),optional::a !定义一个可选参数
  if present(a)   !如果使用时有这个参数
    ...
  end if
  end function calc

• 显式接口，除了module还可用interface

  interface
    subroutine name(a,b)
    ...
    end subroutine name
  end interface

  每一个接口都是个独立的作用域

不行学不下去了，我还是去啃我的C++ Primer吧。