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 создавался на протяжении десятилетий и популярен в научной среде по сей день, например - IMSL (англ. ).

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.

Современный Фортран (Fortran 95 и Fortran 2003) приобрёл черты, необходимые для эффективного программирования для новых вычислительных архитектур, позволяет применять современные технологии программирования, в частности, ООП .

Эволюция стандартов языка

Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Новые стандарты языка в значительной мере сохраняют преемственность с более старыми, что позволяет использовать коды ранее написанных программ и их модифицировать .

FORTRAN 66 (1972) На базе стандарта фирмы IBM FORTRAN IV FORTRAN 77 (1980) Введено множество улучшений: Fortran 90 (1991) Значительно переработан стандарт языка. Fortran 95 (1997) Коррекция предыдущего стандарта. Введён оператор и конструкция FORALL, позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности, обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания . Fortran 2003 (2004) Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие возможности: Fortran 2008 (2010) Стандартом предполагается поддержка средствами языка параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran) . Также предполагается увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные специальные математические функции и др.

Компиляторы

С момента первоначальной разработки языка, компиляторы Фортрана производит фирма IBM. В настоящее время фирмой IBM поставляется оптимизирующий компилятор VS Fortran для мэйнфреймов IBM System z , история развития различных версий которого восходит ещё к 1964 году , а также компилятор XL Fortran для платформ на базе архитектуры PowerPC - AIX , Linux и суперкомпьютера Blue Gene (выпускалась также версия для Mac OS X , когда компьютеры Macintosh использовали процессоры PowerPC). Оба этих компилятора содержат очень сложные оптимизаторы, являющиеся результатом непрерывной научной работы специалистов IBM на протяжении полувека. На базе компилятора IBM Fortran XL фирмой Absoft, бизнес-партнёром IBM, создан и поставляется компилятор Absoft Pro Fortran для систем на базе процессоров PowerPC (Linux, Mac OS X) и Intel (Linux, Mac OS X, Windows) .

Фонд свободного программного обеспечения GNU выпускал открытый компилятор Фортрана-77 g77, доступный практически для любой платформы и полностью совместимый с GCC . Сейчас ему на смену пришел компилятор GFortran , в котором реализованы практически все конструкции стандарта Фортран-95 и многие конструкции стандартов Фортран-2003 и Фортран-2008. Он также полностью обратно совместим с Фортран-77. Также существует независимый проект g95 по созданию на основе GCC компилятора Фортран-95.

Возможности и структура программы

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.

Перфокарта с разметкой колонок для Фортрана.

Структура программ изначально была ориентирована на ввод с перфокарт и имела ряд удобных именно для этого случая свойств. Так, 1-я колонка служила для маркировки текста как комментария (символом C ), с 1-й по 5-ю располагалась область меток, а с 7-й по 72-ю располагался собственно текст оператора или комментария. Колонки с 73-й по 80-ю могли служить для нумерации карт (чтобы восстановить случайно рассыпавшуюся колоду) или для краткого комментария, транслятором они игнорировались. Если текст оператора не вписывался в отведённое пространство (с 7-й по 72-ю колонку), в 6-ой колонке следующей карты ставился признак продолжения, и затем оператор продолжался на ней. Расположить два или более оператора в одной строке (карте) было нельзя. Когда перфокарты ушли в историю, эти достоинства превратились в серьёзные неудобства.

Именно поэтому в стандарт Фортрана, начиная с Fortran 90, в добавление к фиксированному формату исходного текста появился свободный формат, который не регламентирует позиции строки, а также позволяет записывать более одного оператора на строку. Введение свободного формата позволило создавать код, читаемость и ясность которого не уступает коду, созданному при помощи других современных языков программирования, таких как или Java .

Своего рода «визитной карточкой» старого Фортрана 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 количество 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 сильно видоизменены.

Однако современный Фортран избавлен от избытка меток за счёт введения таких операторов, как DO … END DO, DO WHILE, SELECT CASE. Более того, в современных стандартах языка оставлен лишь классический оператор GOTO, применяемый во многих языках и поныне. Вычисляемый оператор GOTO, а также конструкция ENTRY - множественного входа в процедуры, были исключены.

Также к положительным чертам современного Фортрана стоит отнести большое количество встроенных операций с массивами и гибкую поддержку массивов с необычной индексацией. Пример:

Real ,dimension (: ,: ) :: V ... allocate (V(- 2 : 2 ,0 : 10 ) ) ! Выделить память под массив, индексы которого могут ! меняться в пределах от -2 до 2 (первый индекс) ! и от 0 до 10 - второй ... V (2 ,2 : 3 ) = V(- 1 : 0 ,1 ) ! Повернуть кусочек массива write(* ,* ) V(1 ,: ) ! Напечатать все элементы массива V, первый индекс которых равен 1. deallocate (V)

Hello, World!

Фиксированный формат (символами «␣» выделены пробелы в позициях строки с 1 по 6):

␣␣␣␣␣␣PROGRAM hello ␣␣␣␣␣␣PRINT* , "Hello, World!" ␣␣␣␣␣␣END

Свободный формат:

Program hello print * , "Hello, World!" end

Замечания.

• Оператор PROGRAM не является обязательным. Строго говоря, единственный обязательный оператор Фортран-программы - оператор END .
• Выбор прописных или строчных букв для написания операторов программы произволен. С точки зрения современных стандартов языка Фортран, множество прописных букв и множество строчных букв при написании операторов языка совпадают.

Взаимодействие с другими языками

Многие системы программирования позволяют компоновать полученные в результате трансляции фортрановской программы 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 распределённых вычислений (MPI , pvm), так и задач построения графических интерфейсов (Quickwin , FORTRAN/TK) или доступа к СУБД (Oracle).

Фортран в СССР

Примечания

1. См., например: Netlib Repository at UTK and ORNL
2. А. М. Горелик . Эволюция языка программирования Фортран (1957-2007) и перспективы его развития//Вычислительные методы и программирование, 2008, Т. 9, с. 53-71
3. Бартеньев О.В. Современный Фортран . - М .: Диалог МИФИ, 2005. - ISBN 5-86404-113-0
4. А. М. Горелик. объектно-ориентированное программирвание на современном Фортране
5. С. Д. Алгазин, В. В. Кондратьев. Программирование на Visual Fortran. - М .: «Диалог МИФИ », 2008. - 448 с. - ISBN 5-8243-0759-8
6. Горелик А. М.Новости
7. VS FORTRAN
8. XL Fortran for Linux
9. Absoft Pro Fortran Compiler Suites General Overview
10. Sun Studio - Benchmarks
11. Очерк Александра Расторгуева о появлении Фортрана в Дубне
12. История компьютерной графики в России

Литература

• Fortran. Programmer"s Reference Manual. The Fortran Automatic Coding System for the IBM 704 EDPM . - IBM Corp., 1956. - 51 с.
• ISO/IEC 1539-2:2000 Information technology - Programming languages - Fortran - Part 2: Varying length character strings
• Роберт У. Себеста. 2.3. Компьютер IBM 704 и язык Фортран // Основные концепции языков программирования = Concepts of Programming Languages / Пер. с англ. - 5-е изд. - М .: Вильямс, 2001. - С. 63-69. - 672 с. - 5000 экз. - ISBN 5-8459-0192-8 (рус.), ISBN 0-201-75295-6 (англ.)

Ссылки

• gfortran - Компилятор Фортрана 95/2003/2008, часть Коллекции компиляторов GNU
• в Прогопедии - энциклопедии языков программирования (рус.)

История создания языка программирования Фортран. Существующие стандарты. Версия языка программирования Фортран.

Программы для первых ЭВМ программисты писали на языках машинных команд. Это очень трудоемкий и длительный процесс. Проходило значительное время между началом составления программы и началом ее использования. Решить эту проблему можно было лишь путем создания средств автоматизации программирования.
Первыми "инструментами", которые экономили труд программистов, стали подпрограммы. В августе 1944 года для релейной машины "Марк-I" под руководством Грейс Хоппер (женщина-программист, морской офицер ВМФ США) была написана первая подпрограмма для вычисления sinx.
Не одну Грейс Хоппер волновала проблема облегчения труда программистов. В 1949 году Джон Моучли (один из создателей ЭВМ ENIAC) разработал систему SHORT Code, которую можно считать предшественницей языков программирования высокого уровня. Программист записывал решаемую задачу в виде математических формул, преобразовывал формулы в двухбуквенные коды. В дальнейшем специальная программа переводила эти коды в двоичный машинный код. Таким образом, Дж. Моучли разработал один из первых примитивных интерпретаторов. А в 1951 году Г. Хоппер создала первый компилятор А-0. Ею же впервые был введен этот термин.

Первые языки высокого уровня: Кобол и Фортран
В 50-е годы прошлого века группа под руководством Г. Хоппер приступила к разработке нового языка и компилятора В-0. Новый язык позволил бы программировать на языке, близком к обычному английскому. Разработчики языка выбрали около 30 английских слов, для распознавания которых Г. Хоппер придумала способ, сохранившийся в операторах будущих языков программирования: каждое слово содержит неповторимую комбинацию из первой и третьей букв. Благодаря этому компилятор при создании машинного кода программы может игнорировать все остальные буквы в слове.
Необходимость появления такой системы, язык которой приближен к разговорному, Г. Хоппер связывала с тем, что область применения ЭВМ будут расширяться, в связи с чем будет расти и круг пользователей. По словам Г. Хоппер, следует оставить попытки "превратить их всех в математиков ".
В 1958 году система В-0 получила название FLOW-MATIC и была ориентирована на обработку коммерческих данных. В 1959 году был разработан язык COBOL (Common Business Oriented Language) (Кобол) машинно независимый язык программирования высокого уровня для соответствующим транслятором с этого языка. Консультантом при создании языка COBOL вновь выступила Г. Хоппер.
В 1954 году публикуется сообщение о создании языка FORTRAN (FORmula TRANslation) (Фортран). Местом рождения языка стала штаб-квартира фирмы IBM в Нью-Йорке. Одним из главных разработчиков является

Джон Бэкус. Он же стал автором НФБ (нормальная форма Бэкуса), которая используется для описания синтаксиса многих языков программирования. В тот же период в европейских странах и в СССР популярным становится язык ALGOL. Как и FORTRAN, он ориентировался на математические задачи. В нем была реализована передовая для того времени технология программирования структурное программирование.

Фортран в СССР.

Фортран в СССР появился позже, чем на Западе, поскольку поначалу у нас более перспективным языком считался Алгол. Во внедрении Фортрана большую роль сыграло общение советских физиков со своими коллегами из CERN, где в 1960-х годах почти все расчёты велись с использованием программ на Фортране.

Первый советский компилятор с Фортрана был создан в 1967 г. для машины «Минск-2», однако он не получил большой известности. Широкое внедрение Фортрана началось после создания в 1968 г. компилятора ФОРТРАН-ДУБНА для машины БЭСМ-6. Машины ЕС ЭВМ, появившиеся в 1972 г., уже изначально имели транслятор Фортрана («позаимствованный» с IBM/360 вместе с другим программным обеспечением).

Стандарты

Язык подвергался стандартизации в рамках ANSI и ISO

Были разработаны стандарты - Фортран 66, Фортран 77, Фортран 90, Фортран 95, Фортран 2003 и Фортран 2008.

Стандартизация языков программирования создает предпосылки для повышения мобильности программного обеспечения для компьютеров любой архитектуры. Стандартизация Фортрана является одной из причин долгожительства языка, так как именно благодаря стандартизации обеспечена возможность использования огромного фонда прикладных программ, которые созданы за десятилетия существования языка.

Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Существует несколько международных стандартов языка:

FORTRAN IV (позже положенный в основу FORTRAN 66 (1966);

FORTRAN 77 (1978) множество улучшений: строковый тип данных и функции для его обработки, блочные операторы IF, ELSE IF, ELSE, END IF, оператор включения фрагмента программы INCLUDE и т. д.

Fortran 90 (1991) значительно переработан стандарт языка. Введён свободный формат написания кода. Появились дополнительные описания IMPLICIT NONE, TYPE, ALLOCATABLE, POINTER, TARGET, NAMELIST; управляющие конструкции DO … END DO, DO WHILE,CYCLE , SELECT CASE, WHERE; работа с динамической памятью (ALLOCATE, DEALLOCATE, NULLIFY); программные компоненты MODULE, PRIVATE, PUBLIC, CONTAINS, INTERFACE, USE, INTENT. Появились новые встроенные функции, в первую очередь, для работы с массивамив языке появились элементы ООП

Fortran 95 (1997) - коррекция предыдущего стандарта Fortran 2003 (2004)дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой Введён оператор и конструкция FORALL, позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности, обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания.

Fortran 2003 (2004) Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие возможности: 1. Асинхронный ввод-вывод данных 2. Средства взаимодействия с языком. 3. Усовершенствование динамического размещения данных. Fortran 2008 (2010) Стандартом предполагается поддержка средствами языка параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran). Также предполагается увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные специальные математические функции и др.

Версия языка программирования Фортран

Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает активно использоваться. Имеется стандартная версия Фортрана WF(High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров с множеством процессоров.

Cobol (Кобол). Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес задач, разработанный в начале 60-х годов. Он отличается большой «многословностью» - его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сегодня.

Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был призван заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В 1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.

Pascal (Паскаль). Язык Паскаль, созданный в конце 70-х годов основоположником множества идей современного программирования Никлаусом Виртом, во многом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании крупных проектов.

Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы, а по популярности он занимает первое место в мире. Он создавался в 60-х годах в качестве учебного языка и очень прост в изучении. Это один из перспективных языков программирования.

С (Си). Данный язык был создан в лаборатории Bell и первоначально не рассматривался как массовый. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффективные и компактные программы, и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора. На этом языке в 70-е годы написано множество прикладных и системных программ и ряд известных операционных систем (Unix).

Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей. Но главная особенность этого языка - компиляция не в машинный код, а в платформно независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора - виртуальной Java-машины (Java Virtual Machine), версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию мно­жества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода, поэтому по популярности язык Ява сегодня занимает второе место в мире после Бейсика.

В последнее время получили распространение системы программирования, ориентированные на создание Windows-приложений :

· пакет Borland Delphi (Дельфи) - блестящий наследник семейства компиляторов Borland Pascal, предоставляющий качественные и очень удобные средства визуальной разработки. Его исключительно быстрый компилятор позволяет эффективно и быстро решать практически любые задачи прикладного программирования.

· пакет Microsoft Visual Basic - удобный и популярный инструмент для создания Windows-программ с использованием визуальных средств. Содержит инструментарий для создания диаграмм и презентаций .

· пакет Borland C++ - одно из самых распространённых средств для разработки DOS и Windows приложений.

• 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

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

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

Лёгкость первая: работа Fortran с массивами

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 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

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?

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

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:

Примеры:

Hello, World!:

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:

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:

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:

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!:

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:

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

В 1955 году увидел свет первый алгоритмический язык высокого уровня FORTRAN (FORmula TRANslator – транслятор формул). Он использовался в основном для решения научно-технических и инженерных задач, а разработали его сотрудники фирмы IBM под руководством Джона Бэкуса . Чуть позже, в 1957 году, Джон Бэкус и его сотрудники установили в IBM (Beстингхауз) первый компилятор языка Фортран. Программисты, ранее работавшие исключительно на Ассемблере, скептически относились к возможностям высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке стандартов на Фортран и создания компиляторов с этого языка была эффективность исполняемого кода. Кстати, термин "компилятор" тогда еще широко не использовался, хотя уже был введен Грейс Хоппер – единственной в США женщиной-адмиралом, которую называли также "первой леди программирования и бабушкой Кобола".
Большинство операторов Фортрана транслировались непосредственно в одну–две машинные команды, простые синтаксические конструкции и активное использование меток и goto позволяло получить очень быстрый код, и в результате программы на Фортране подчас работали быстрее ассемблерных. Сама внутренняя структура оттранслированной программы была также очень простой – весь код, все подпрограммы и все данные вместе с общим блоком размещались исключительно в статической памяти, из-за чего, правда, невозможно было использовать рекурсию.
Поскольку Фортран был первым языком высокого уровня, отвечающим нуждам большинства пользователей того времени, да еще и простым в изучении, распространился он очень быстро.
Из-за широкого распространения этого языка и появления множества Фортран-программ (преимущественно вычислительного характера) насущным стал вопрос его стандартизации. Сначала это был стандарт Fortran IV 1964 года, затем, по мере появления новых идей, в 1978 году был принят новый стандарт Fortran 77 (f77) с большим числом более современных и гибких синтаксических расширений. Сегодня наиболее распространенным вариантом Фортрана являются Fortran 90 (f90) и Fortran 95 . Группа энтузиастов заканчивает работу над суперверсией языка F2k, которая будет опубликована в этом году.
Хотя в новые версии языка вносились подчас как ненужные дополнения (например, расширения, связанные с динамической аллокацией памяти), так и полезные, типа модульной организации программы, работы с частями массивов и др., сегодня этот язык нельзя назвать перспективным для изучения, так как синтаксис его значительно устарел.
Однако тем, кому довольно часто приходится решать различные вычислительные задачи, совсем не обязательно каждый раз брать в руки учебник по математике и "начинать с нуля". В 90% подобных случаев то, что вы ищете, уже давно реализовано и отлажено на Фортране. Поэтому, скорее всего, жизнь Фортрану обеспечена надолго.
Есть и еще одна, сравнительно молодая ниша для Фортрана – параллельные вычисления, где строгая семантика языка позволяет получать высокопроизводительные программы. Обычно используется стандарт f90, немного расширенный набором операторов для указания пригодных к распараллеливанию частей программы. Параллельный Фортран имеет свой стандарт HPF (High Performance Fortran). Тем не менее фанаты Фортрана, девизом которых стала легендарная фраза "Зачем мне изучать другие языки, когда я могу всё написать на Фортране", ощущали его очевидную непригодность для крупномасштабных проектов, связанную с привязанностью к синтаксису 50-х годов, и пытались ввести в него модные идеи ООП, но объектный Фортран в качестве стандарта так и не появился.
Среди бесплатно распространяемых версий Фортрана наиболее известен f2c, реализованный для всех UNIX-систем и преобразующий текст Фортран-программы в Си-код. Для DOS имеется версия bcf77, распространяемая бесплатно. Из коммерческих версий в первую очередь надо отметить Microsoft Fortran, позволяющий создавать dll-библиотеки, и Watcom Fortran, генерирующий высокоэффективный код. Для задач, требующих высокой точности вычислений, предназначен компилятор фирмы MicroWay. А вообще различные по качеству компиляторы Фортрана имеются на абсолютно всех компьютерных платформах.
Однако основная заслуга Фортрана в другом. Когда появилась необходимость в разработке очень крупных проектов, недостатки Фортрана, связанные в первую очередь с "тяжелой" отладкой, стали излишне обременительны. Поэтому Фортран послужил сильнейшим стимулом для развития теории отладки и тестирования программ. Появились сотни синтаксических верификаторов Фортран-текстов, вылавливающих скрытые логические ошибки. В дальнейшем из этого направления выросли такие теоретические области программирования, как эквивалентные оптимизирующие преобразования программ, высокоуровневая компиляция, автоматическое тестирование и т.д. Так что про Фортран забывать никак нельзя. Использовать его в качестве инструментария в задачах системной интеграции, наверное, не имеет смысла, но то, что было наработано лучшими программистами за 30–40 лет, вполне может ускорить процесс разработки. По крайней мере, программных "кирпичиков" для Фортрана ныне существует несравненно больше, чем для других языков программирования. ■

* * *
Джон Бэкус родился 3 декабря 1924 в Филадельфии, штат Пенсильвания, в богатой семье, детские годы провел в Вилмингтоне. Закончив школу в 1942 году, он поступил в университет штата Вирджиния на химический факультет (по настоянию отца-химика), но спустя некоторое время перестал заниматься и в 1943 году был призван на военную службу.
Бэкус начинал служить в бригаде противовоздушной обороны в форте Stewart, штат Джорджия, но впоследствии был направлен в колледж для изучения медицины.
Некоторое время он с увлечением работал в городской больнице, но в 1946 году охладел к этой работе, оставил армию и переехал в Нью-Йорк, хотя не знал за что браться и как жить дальше.
Через некоторое время Бэкус поступил в школу подготовки радиотехников. "У меня был очень хороший преподаватель, и он попросил, чтобы я вычислил характеристики некоторых схем. Это было страшно утомительно, но крайне интересно".
Вскоре Бэкус поступил в Колумбийский университет (Нью-Йорк), чтобы изучать математику, где и получил высшее образование (1949 г.). Незадолго перед тем, как закончить обучение, он посетил компьютерный центр IBM на Мэдисон Авеню. И здесь удача во второй раз улыбнулась ему – в 1950 году Бэкус стал программистом компании IBM.
О доминировании IBM в компьютерной индустрии впервые заговорили в 1952 году. Всё началось с модели 701, известной также под именем Defence Calculator (оборонный вычислитель). Сразу после выпуска модели 701 специалисты подразделения прикладных исследований приступили к ее совершенствованию (1955–1956 годы).

Наиболее серьезные изменения предложил внести Джон Бэкус, впоследствии принимавший активное участие в создании компьютера 704. В частности, благодаря ему появилась технология так называемого "ускоренного кодирования" (speed-coding), позволившая заметно упростить написание программ для 701. "Возможность ускоренного формирования кода для машины 701, которая представляла собой одноадресный компьютер с фиксированной запятой без индексных регистров, превратила ее в систему с плавающей запятой, произвольной адресацией и индексными регистрами, – вспоминал Бэкус. – Таким образом, пользователям больше не нужно было мучиться с двоичным кодом".
Уже тогда появились первые компоненты технологии быстрого написания программ, которая используется сегодня. Фактически данная система стала предшественницей аналогичных комплексов, которые были выпущены в 50–60 годах и впоследствии вытеснены языками высокого уровня.
А в 1955 году Бэкус "изобрел" Фортран, первый машинный язык высокого уровня. Впоследствии, вспоминая этот период, Бэкус скажет: "Мы не знали, к чему стремиться, и не знали, как это сделать". Первоначально все работы планировалось завершить в начале 1954 года, однако разработка языка завершилась практически через два года.
Первая версия компилятора состояла из 25000 строк машинного кода, записанного на магнитной ленте. Каждая IBM 704 обеспечивалась копией программы с руководством по программированию на 51 странице.
В 1959 году Бэкус разработал грамматические правила для описания синтаксиса языков высокого уровня (нормальная форма Бэкуса-Наура, сокращенно БНФ).
В 1976 году Джон Бэкус был награжден Национальной медалью за вклад в науку, а с 1991 года перестал заниматься компьютерной тематикой.

Владимир Буслаев

OCR: fir-vst, 2016