【Fortran】基础知识汇总

Fortran相关基础

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1. 语言字符

英文字母大小写不敏感。program 与 PROGRAM、变量 a 与变量 A 的效用是一样的。

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2. 语句结构

1. 每一行可以输入132个字符，可以用&，置于行末或行首，用于连接下一行或上一行；
2. 注释符号!，属于不编译语句，用于说明，可以放在任何位置；
3. 语句标号，用于行首，代表是该行的“名字”，具有唯一性，如下所示。一般不建议使用，影响程序可读性。

100 write(*,*) "Hello, World !"   ! 100 即是本行语句的名字
999 write(*,*) "Hello, Fortran !"  !  999 即是本行语句的名字

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3. 程序结构

1) 组成

1. Fortran程序单元由三个部分构成：声明部分、执行部分、终止部分，如下方所示；
2. 声明部分：声明程序名称、描述程序用途、声明变量类型；
3. 执行部分：程序运算过程；
4. 终止部分：通知程序编译结束。

 ! 声明部分
PROGRAM my_test  ! 程序名，最多可长达63个字符
	! test 
INTEGER::i,j   ! 声明两个整形变量

! 执行部分，将输入屏幕的两个数相加并打印出来
WRITE(*,*)"Please enter the figures to add together"
READ(*,*)i,j
res = i + j
WRITE(*,*)"Result = ",res

! 终止部分
STOP
END PROGRAM my_test

2) 书写格式

不是硬性要求，因为程序对字母大小写不敏感，目的为了保持程序书写格式的前后一致，提高可阅读性。

1. 保留字、常量均大写，如PROGRAM、WRITE、PI等;
2. 变量名、过程名、程序名均小写，如i、j、my_test等。

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4. 常量与变量

1) 基本特性

1. 常量（常数）需事先定义（初始化），在执行过程中不可变，需要保持前后一致，用属性PARAMETER声明；
2. 在声明部分中，变量可以初始化，也可不初始化（在执行部分中再定义），在执行过程中可变；
   1. 变量命名最长可达63个字符；
   2. 首字符为字母，由字母、数字、下划线 _构成 ；
   3. 命名尽量要有意义，提高可读性；
3. 数据类型较为常用的主要有5种，INTEGER、REAL、COMPLEX、LOGICAL和CHARACTER；

2) INTEGER 整数

• 整数部分，如果是正数，+可加可不加；
• 不能含有小数点，如100.是不合理的；
• 逗号不能嵌入整数中，如100,100是不合理的。

3) REAL 实数

• 用小数部分来表示，如果是正数，+可加可不加，用十进制来表示；如100.，111.23，+200.等；
• 可用或不用指数E（对应的幂是10）来表示，如2.5E10(表示2.5×10¹⁰)，3.2E-3(表示3.2×10^-3)等；
• 逗号同样不能嵌入实数中，如100,100.是不合理的。

4) COMPLEX 复数

• 由实部和虚部两个部分组成，两部分的数字必须是实数；
• 采用(a , b)的形式进行计算，表示为a+bi。

5) LOGICAL 逻辑

1. 常用于分支结构和循环结构的控制。

2. 仅包括两个数值 .TRUE. 和 .FALSE.，注意数值两边有两个点。有两种运算类型：

   • 关系运算
     用于两个数字或字符的逻辑运算，有：
     == 等于
     /= 不等于
     > 大于
     < 小于
     >= 大于或等于
     <= 小于或等于
     最终返回一个逻辑结果（T / F）。
   • 组合运算
     用于一个或多个逻辑对象（.TRUE. 或 .FALSE.）的逻辑运算（注意符号左右同样有两点），有：
     .AND. 逻辑与
     .OR. 逻辑或
     .EQV. 逻辑等
     .NEQV. 逻辑不等
     .NOT. 逻辑非
     最终返回一个逻辑结果（T / F）。

3. 由于逻辑运算也有一定的计算顺序，在不明确计算先后顺序时，最好使用()。

4. 逻辑值通过READ来输入时，真值可输入.TRUE.或T开头的字符串，假值可输入 .FALSE.或 F开头的字符串，输入其它对象则会报错。

6) CHARACTER 字符

• 由字母字符串组成，用单引号'或双引号"括住；
• 字符串中有着重符号，可使用如'Xiaomao''s friend'或者"Xiaomao's friend"
• 用单引号括住含有双引号的字符串，可使用如'"What?"'
• 字符的操作运算可参考：链接。

7) 变量声明显式和默认式

• 如没有显式声明，则通过变量的“样子”的推测其具体的数据类型；
• 如没有显式声明，可通过默认方式确定（只与整型和实型相关）：

任何以字母i、j、k、l、m 和 n 开头的变量名假定为整型INTEGER，其余字母开头的变量假定为实型REAL

• 变量声明语句：

INTEGER::var1[,var2,var3,...]  ! 整型  []为可选参数，不声明可默认
REAL::var1[,var2,var3,...]         ! 实型  []为可选参数，不声明可默认
LOGICAL::var1[,var2,var3,...]    ! 逻辑型  []为可选参数，必须显式声明
CHARACTER(len=)::var1[,var2,var3,...]   ! 字符型，必须显式声明。[]为可选参数，len用于声明字符变量的长度，也是可选参数，缺省时代表字符变量长度为1
type,PARAMETER::name1=var1[,name2=var2,name3=var3,...] ! 常量声明，type是具体的类型，如整型、实型等。如果是字符型，不需声明字符长度len，因为编译器自动计算

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5. 赋值与运算

1)赋值 =

name = value，将value存储至变量name中。

2) 运算符号

+ 加
- 减
* 乘
/ 除
** 指数

• 两个操作符不能连续出现。如6*-5是不合理的，要用括号，即6*(-5) ；
• 乘法不能隐式运算。如6(5*10)是不合理的，要显式，即6*(5*10)；
• 表达式中含多个括号，先计算最里面的括号，从内往外计算（与常规使用相一致）。

3) 运算规则

1. 整数运算。输出结果也是整型，如5/3计算结果为1.000000，后面的0是精度。一般用于计算和索引。
2. 实数运算。需要注意的是，计算由于有精度的限制，结果可能与理论值有些许差别。
3. 符号运算顺序如下。尽可能使用括号()，使计算式清晰明了。
   ①括号先运算，内括号优于外括号；
   ②再从右往左做**运算；
   ③从左往右做* 和/ 运算；
   ④从左往右做+ 和- 运算。

4) 混合运算

在一个表达式中含有一个或多个整数和实数之间的运算操作。由于计算过程难以理解，在实际使用时尽量避免。

1. 可以对表达式中的整数和实数变量进行类型转换操作。
2. 对指数进行操作时，最好是采用整型指数，而不是实数型指数。如a^b ，即b最好是整型，因为是有b个a进行相乘，b用整型来描述是符合真实意义的。如果用实数b，运算是通过a^b=e^blna来间接运算，计算时间长、精度降低。
   因此，当计算(-5.2)^2.1时，会计算出错，因为负数不存在对数。

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6. 输入输出与初始化变量

1) 输入

主要有两种输入方式：

• 键盘交互输入
• 文件输入
  主要通过语句READ来输入，具体可参考：READ链接

2) 输出

主要通过语句WRITE来输出，具体可参考：WRITE链接

3) 变量初始化

在使用变量之前，必须要先对其初始化，否则编译器会将变量初始化为0或任意值，甚至会运行报错。

常用初始化的方法有三种：

1. 赋值语句 =。在程序执行时初始化。
2. 输入语句 READ。在程序执行时初始化。
3. 类型声明语句，type::var1[,var2,var3,...]。在程序开始之前初始化。

在定义变量之前，最好使用IMPLICIT NONE语句

• 用处：PROGRAM语句之后，type::var1[,var2,var3,...]语句之前。

• 作用：每个变量必须显式声明（参考上述4.7小节），优点：

  • 避免变量名打字错误，即前后变量名字及数值一致，不会由于打字错误从而产生新的变量；
  • 如果变量名打字错误，程序会报错并标识错误所在的位置。

• 每个变量都必须要声明其类型，能够帮助检查错误，包括程序在执行部分新增短暂使用的“间接过程变量”，如下所示则会报错：

  PROGRAM my_test2
  IMPLICIT NONE  ! 所有变量须显式声明
  REAL::i = 5.0 , j =2.0
  
  res = i ** j
  WRITE(*,*)"Result = ",res
  
  STOP 
  END PROGRAM my_test2
  

  报错内容为：

  error #6404: This name does not have a type, and must have an explicit type.   [RES]		
  

  提示res变量没有声明类型。因此需要在声明部分对其进行类型声明REAL::res，此时程序就能顺利运行。

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7. 减少debug的编程习惯

1. 尽量在所有程序中使用IMPLICIT NONE语句；
2. 如果使用READ语句来对变量进行初始化，则可以通过WRITE语句及时返回相应变量输入值，减少错误；
3. 对所有变量都进行初始化处理，避免程序预设定或报错；
4. 运算公式尽量使用()，使其结构清晰明了。

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8. 程序设计思路（常规）

1. 清楚地陈述需要解决的问题；

2. 定义程序所需的输入和程序产生的输出；

3. 设计要在程序中实现的算法，可通过两种方式：

   • 伪代码（Fortran语句和符号掺杂在一起的混合体）
   • 流程图

4. 将算法转换成Fortran语句；

5. 测试Fortran程序。