Fortran学习的一些建议

2006-8-6
相信大家都对C语言有一定的了解，其实Fortran跟C相差不是很多。
我把自己认为比较合理快速学习Fortran的方法说下。
学习Fortran，会遇到Fortran77&Fortran90等等，两者差别不大，建议学习Fortran90或更
高，更加自由些（仅对一般用而言，其他优势可能体现不出来），对自己以后学习他
的程序包也会有好处。
大家一般只是为了编程为了计算而学Fortran，而不是为了学习Fortran而学Fortran，所以
我的建议是学习Fortran不要像学C那样拿一本很详细的教材从头至尾学下来，一个大家都
有不错的C语言基础，而且也没有太多的精力去专门研究这些，倒不如看些简易的教材（我
会附上），掌握基本语句之后直接从看最简单的程序开始。这样，很快就会体会到Fortra
n的格式，可以开始自己写程序了。学习的顺序我建议如下：
1、 编一些仅含输入输出的程序，然后可以尝试把输入输出同文件结合起来（从文件里读
数据、写数据）；
2、 然后可以学条件判断、循环语句，通过几个实例也可以很快掌握；
3、 再往后就是写子程序，就是程序的调用，相信那个时候，看了我的第一个例子（PROG
RAM A）就应该能写出简单的含函数调用的程序，到了这里，基本上可以算告一段落，可以
进行结构上复杂的程序的编写；
4、 最后，可以学一下多个程序的编译甚至是多种语言程序的混编（如既有C又有Fortran
的多个程序一起编译）。多个程序的编译我不并不熟悉，就留给siriusbobo同志来解说吧
:-)
在编程中遇到困难然后再去查找资料和用法不失为一种好的方法，不必刻意去求学全。
当然，有足够时间和精力的同学强烈建议好好看教材，不必急于求成，有一个好的基础总
是一件很好的事。
Fortran相比C的优势的话在于它丰富的资源，C的优势可能是更加简洁，编译效率更高。但
对于我的平时使用来说，这两者的优势、劣势都体现不出来，自己的感觉是Fortran更接近
平时的科学语言，比较严谨些，更容易读懂不出错，比较符合习惯，变量、函数的声明上
也比C更方便灵活，以外函数的使用为例：
******************************************************************************
PROGRAM A
real z
read *,z
call f(z)
y=z
print *,y
end
subroutine f(x)
x=x**2
return
end
******************************************************************************
只需要加一个"subroutine"程序段，主函数即可用"call"调用，当然也可以写多个子程序
，其中一个子程序也可以通过"call"来调用其他子程序。
就一般学习而言，除了子程序的编写，另外一个用得比较多的是文件的读写操作，读用
"read",写用"write"，如下：
******************************************************************************
PROGRAM B
real x
open (1,file='in.dat',status='unknown')
open (2,file='out.dat',status='unknown')
read (1,100) x
100 format (1e12.7)
close(1)
write (2,200) x
200 format (1e15.8)
close(2)
end
******************************************************************************
如果用"*"的话，就为默认形式，更具体的可以查看帮助或有关资料，比较好的方法是随时
做一个test程序，用来检测所学或所想。
对于上程序，出现的"100","200"是语句标号，这些标号为方便语句的跳转而出现，可以实
现循环、条件控制等，但也为了使程序结构化而不推荐使用，用goto语句和语句标号实现
语句的跳转如下：
******************************************************************************
PROGRAM C
integer n
real z
n=0
read *,z
1 call f(z)
y=z
n=n+1
if (n<10) goto 1
print *,y
end
subroutine f(x)
x=x**2
return
end
******************************************************************************
这类跳转在F77里经常用到，F90以后并不多见，但对于"100 format (1e12.7)"之类还是经
常用到，这是用来表示存储读取的数据的格式的，可以放在程序任何位置，更具体的用法
要参看说明。
有关注释：
Fortran里注释用"!"或"C"，其中，一般在Windows下使用"Compad Visual Fortran"编译，
有两种格式，一个是"Free Format"，生成".f90"，另外一个"Fixed Format"，生成".for
"，只有".for"里两种注释都可用（"!"或"C"），但在".f90"里只能用"!"。
有关学习的困难：
算法是语言的灵魂没错，是最麻烦的，但想必大家都学过C，遇到过不少算法，这些可以用
C实现的，用Fortran实现都不是很困难，所以这里不主要讨论这个“灵魂”性质的东西。
常量、变量、数组的数据类型，以及数据类型的读写控制倒是经常容易出错的。下面主要
讲一些我认为需要注意的和我曾经犯过和看到过的错误。
Fortran跟C一样，也分整型(INTEGER)，实型(REAL)，双精度(REAL*8或REAL(8)或DOUBLE 
PRECISION)，这些在科学计算中还是比较重要的，以实型数为例：
一般REAL等价于REAL*4或REAL(4),是单精度的；
而双精度在F77中表示为DOUBLE PRECISION，在F90中可以表示为REAL*8或REAL(8)，在高精
度计算中，双精度的变量是很有必要的，对于一般实数可以表示为小数形式或指数形式，
而双精度都表示成指数形式，但指数E要改成D，如：
REAL:100.0或1e2,双精度下就得表示成1D2
由于Fortran中不需要对每个变量都进行声明，所以有时候会在每个程序或子程序开头做个
说明，如下：
IMPLICIT DOUBLE PRECISION(A-H,O-Z)
代表以A-H以及O-Z字母开头的变量默认（在不声明的情况下）是双精度的，否则则是整型
的，如下：
******************************************************************************
PROGRAM D
IMPLICIT DOUBLE PRECISION(A-H,O-Z)
J1=1D-2
J2=-0.5D-1
x=J1+J2
print *,x
end
******************************************************************************
PROGRAM E
implicit double precision (A-I,O-Z)
double precision a,i,e1,e2
data j2 /0.87450547081842D-3/
data j3 /-0.11886910646016D-4/
data j5 /-0.17242068505339D-5/
data j7 /0.10566966079622D-6/
write(*,*) "please input a"
read(*,*) a
write(*,*) "please input i"
read(*,*) i
e1=(j3*sin(i)/(2*a*j2)-5*j5*sin(i)*(1-7*sin(i)**2/2+21*sin(i)**4/8)&
&/(2*a**3*(2-5*sin(i)**2/2))+35*j7*sin(i)*(1-27*sin(i)**2/4+99&
&*sin(i)**4/8-429*sin(i)**6/64)/(3*a**5*(2-5*sin(i)**2/2)))
e2=-(j3*sin(i)/(2*a*j2)-5*j5*sin(i)*(1-7*sin(i)**2/2+21*sin(i)**4/8)&
&/(2*a**3*(2-5*sin(i)**2/2))+35*j7*sin(i)*(1-27*sin(i)**2/4+99&
&*sin(i)**4/8-429*sin(i)**6/64)/(3*a**5*(2-5*sin(i)**2/2)))
write(*,"(E9.2E3)") e1,e2
stop 
end 
******************************************************************************
第一个程序输出不是-0.4而是0.000000000000000E+000
第二个程序任意输入a、i，并未得到希望得到的结果，而是输出NAN和NAN，关于NAN这个错
误，有时候函数定义域不符合的时候，运行并不报错而是输出NAN，这个时候检查程序这些
地方是检查的重点，当然，会有其他情况，但我碰到的不多，只好就我所知跟大家交流一
下。
这两个程序都因为J开头的变量不属于默认双精度变量，而用双精度表示给它们赋值了，导
致结果跟预期不一致，在程序中把这些以J开头的变量用REAL*8声明一下，或把
implicit double precision (A-I,O-Z)改为：
implicit double precision (A-J,O-Z)，或把这个语句去掉
就可以得到预期的结果了。
对于数组，可以用DIMENSION定义，但需要注意的是，若在程序头未做声明（implicit 
none）时，用DIMENSION定义数组时，当数组名首字母不属于(A-J,O-Z)里时，其值输出时
为整型，当然做了如下声明情况也会如此：（implicit double precision (A-I,O-Z)）
如下：
******************************************************************************
PROGRAM F
dimension m(2)
m(1)=1.5
m(2)=2.5
print *,m(1),m(2)
end
******************************************************************************
输出的结果是“1，2”而不是“1.500000,2.500000”
当把程序中m改为a时，输出“1.500000,2.500000”
所以，比较好的方法是尝试用REAL来定义数组（当然也可以用REAL*8）：
******************************************************************************
PROGRAM G
real m(2)
m(1)=1.5
m(2)=2.5
print *,m(1),m(2)
end
******************************************************************************
另外，要说的是，变量可以不定义而直接赋值，但会出现如上面PROGRAM D-E的问题，所以
建议大家在编程的时候对非整型变量声明一下，尽管麻烦，但不容易出错，有时候正是这
类错误会让初学者困扰好久。
定义变量时，经常会看到两种定义的写法：以REAL为例：
可以有
real m
和 real:: m
第一种方式不可以直接赋值，必须写成这样：
******************************************************************************
PROGRAM H
real m
m=1.0
print *,m
end
******************************************************************************
第二种则可以：
******************************************************************************
PROGRAM I
real:: m=1.0
print *,m
end
******************************************************************************