FORTRAN语言（Formula Translation）自学笔记

FORTRAN语言是Formula Translation的缩写，意为“公式翻译”，工程界最常用的编程语言，它在科学计算中（如航空航天、地质勘探、天气预报和建筑工程等领域）发挥着极其重要的作用。
————摘自百度百科。
现将自己近期对Fortran语言的学习总结如下，主要以遇到的一些Fortran程序为例，便于后续查询与深入学习。
参考资料：
https://wenku.baidu.com/view/e2966ba0760bf78a6529647d27284b73f342365c.html?from=search

1、关系运算

+ - * / **（**表示乘方）
GT：大于； GE：大于或等于； LT：小于； LE：小于或等于； EQ：等于；
NE：不等于； AND：逻辑与； OR 逻辑或； NOT：逻辑非； EQV：逻辑等； NEQV：逻辑不等

优先级次序由高到低为：
() → ** → *或/ → +或- → GT或GE或LT或LE或EQ或NE → NOT → AND → OR → EQV或NEQV

2、变量类型

1. 隐含约定：I-N规则
凡是以字母I，J，K，L，M，N六个字母开头的，即为整型变量，其它为实型变量。

2. 类型说明语句
规定变量类型，可改变I-N规则。

变量类型	变量类型说明
INTEGER	整型
REAL	实型
DOUBLE PRECISION	双精度实型
COMPLEX	复型
LOGICAL	逻辑型，逻辑常量有“T”和“F”，“T”表示“.TRUE.”，“F”表示“.FALSE.”
CHARACTER*N	字符型，N为字符串长度，可以在变量名称后重新指定长度，如CHARACTER*8 STR1,STR2*10

3. IMPLICIT语句
将某一字母开头的全部变量指定为所需类型，例如IMPLICIT REAL (I,J)

三种定义的优先级别由低到高顺序为：
I-N规则 → IMPLICIT语句 → 类型说明语句
因此在程序中IMPLICIT语句应放在类型说明语句之前。

3、数组与赋值

1. DIMENSION说明数组：

使用I-N规则时用DIMENSION说明数组，也可在定义变量类型同时说明数组，说明格式为：数组名(下标下界,下标上界），也可省略下标下界，此时默认为1。
例如：DIMENSION ND(80:99), W(3,2), A(0:2,0:1,0:3)， REAL IA(10), ND(80:99)

注：DIMENSION语句声明的数组，其类型可按I-N规则确定，也可以使用显式声明其类型，但显式声明语句应在DIMENSION语句之前，例如：
Real (8) NUM, SUM
DIMENSION NUM (2,3), SUM(2:8)

2. 输入输出操作：

输入：
read（，格式语句标号） <输入表>
read（，<‘|”> <格式说明表> <‘|”>）<输入表>

read(45，'(i4，f12.5，1p6e16.7)')
C read后边括号内跟有两个字段，第一个是个数字，代表一个设备号，跟相应的数据文件关联；
C 第二个是一对单引号引住的一对圆括弧里的内容：i4表示输出一个长度为四位的整数，f12.5表示输出一个12位长度的实数，
C 其中五位是小数点后的位数，1p表示把数字加一输出，6e16.7表示输出6个格式为e16.7的实数，其中e16.7表示以科学计数法
C 输出一个16位长度的实数，7表示小数部分7位。

输出：
print（，格式语句标号） <输出表>
print（，<‘|”> <格式说明表> <‘|”>） <输出表> 
write（，格式语句标号） <输出表>
write（，<‘|”> <格式说明表> <‘|”>） <输出表>

WRITE(*,10) ('I='，I，'A='，A(I)，I=1，10，2)
10 FORMAT(1X，5(A2，I2，1X，A2，I4))  
C 输出 I = I（变量I取值1,3,5,7,9），A = A（I）（输出数组A（1），A（3），A（5），A（7），A（9）的值）

FORMAT格式：
<语句标号> Format <格式说明表>          
格式说明表：（格式编辑符 [ {,格式编辑符} ]）

10 format(1x,3I5）
10 是标号行，一般为100，200，是一种习惯用法，用1，2也可以，
format是格式说明，里面的内容是：1x表示输出一个空格字符；3I5代表输出3个整数,每个整数占5个字符，即字符宽度为5。

3. 使用DATA语句进行赋值
变量表中可出现变量名，数组名，数组元素名，隐含DO循环，但不许出现任何形式的表达式。例如：

为变量赋值：

DATA A,B,C/-1.0,-1.0,-1.0/
DATA A/-1.0/,B/-1.0/,C/-1.0/
DATA A,B,C/3*-1.0/
C 注：三种写法，都是分别为A，B，C赋值为-1.0。

为数组赋值：

CHARACTER*6 CHN(10)
DATA CHN/10 * ' '/
C 注：定义6个字节长度的字符串CHN，并重新指定长度为10个字节，赋初值为空。

使用隐含DO循环赋值：

INTEGER NUM(1000)
DATA (NUM(I)，I=1，500)/500*0/，(NUM(I)，I=501，1000)/500*1/
C 注：定义1000长度的整型数组NUM，并对前500个元素赋值为0，后500个元素赋值为1。

4、选择判断语句

1. 简单IF语句：

IF (逻辑表达式) 
    <程序语句>

2. 块IF语句：

IF (逻辑表达式) THEN
    <程序语句1>
ELSE
    <程序语句1>
END IF

3. 多分支IF语句

IF (逻辑表达式1) THEN
   <程序语句1>
ELSE IF (逻辑表达式2) THEN
   <程序语句2>
ELSE IF (逻辑表达式3) THEN
   <程序语句3>
......
ELSE IF (逻辑表达式N) THEN
   <程序语句N>
ELSE
   <程序语句N+1>
END IF

4. CASE选择结构

SELECT CASE (测试表达式)
CASE （目标值1）
   <程序语句1>
......
CASE （目标值N）
   <程序语句N>
CASE DEFAULT
   <程序语句N+1>
END SELECT

5、循环语句

1. GO TO语句

标号程序行
程序块
GO TO 标号

2.无条件循环DO语句
这类循环结构的循环体中应有判断语句，通过EXIT或GOTO语句结束循环。

DO
<循环体>
END DO

3. 计数型DO语句
<循环体>中可包含EXIT，CYCLE语句。EXIT终止循环，并转向END DO后的第一条语句；CYCLE语句结束当前循环并开始下一次循环。

DO 标号 <记数变量=起始值，终止值，步距>
C 例如：DO 标号 N=1,100,1 缺省步长默认为1
<循环体>
标号 CONTINUE

DO <记数变量=起始值，终止值，步距>
<循环体>
END DO

4. 条件型DO循环

DO 标号 WHILE (<循环条件>)
<循环体>
标号 CONTINUE

DO WHILE (<循环条件>)
<循环体>
END DO

DO 标号 UNTIL (<结束循环条件>)
<循环体>
标号 CONTINUE

6、子程序与函数

主要参考博客：
https://www.cnblogs.com/baowee/p/9556828.html

1. 子程序 SUBROUTINE

子程序SUBROUTINE在没有经过调用之前不会被执行，它独立拥有属于自己的变量申明。主程序和子程序，以及不同的子程序之间变量名可以相同，互不干扰。在子程序的调用中会涉及到参数传递，使用传址调用，即实参和形参公用一块内存，两者改变其中之一，另一者也会发生变化。
子函数调用形式如下：

PROGRAM MAIN
    ......
    ......
    CALL SUB_1(...)
    ......
END PROGRAM MAIN

SUBROUTINE SUB_1(...)
    ......
END SUBROUTINE SUB_1

2. 自定义函数 FUNCTION

自定义函数和子程序有两点不同：
1、调用自定义函数前要声明；
2、自定义函数调用后会返回一个数值。
举个栗子，用牛顿法来解方程：

PROGRAM MAIN
    IMPLICIT REAL*8 (A-Z)
    EXTERNAL F,G
    INTEGER::MAX
    INTEGER::I,K=1
    REAL*8::X0,X1,X2,DX,TOL,F,G
    OPEN (UNIT=11,FILE='fin.txt')
    OPEN (UNIT=12,FILE='fout.txt')
    READ (11,*) X0,MAX,TOL

    DO 
        X1=X0-F(X0) / G(X0)
        DX=ABS(X1-X0)
        IF(DX<=TOL) EXIT
                K=K+1
        IF(K>=MAX) EXIT
                X0=X1
    END DO

    WRITE(12,*) X0
END PROGRAM MAIN

FUNCTION F(x)
      IMPLICIT NONE
      REAL*8::F,X
      F=X**3+2*X**2+10*X-20
END FUNCTION

FUNCTION G(x)
      IMPLICIT NONE
      REAL*8::G,X  !,DX
      G=3*X**2+4*X+10
END FUNCTION

注意：不要随意改变传入的参数数值，最好另开辟一个内存来存储要用的应变量。

3. 全局变量 COMMON

不同子程序之间除了可以通过传递参数的方法来共享内存，还可以通过全局变量让各函数中声明的变量使用相同内存位置。
举个栗子：

PROGRAM MAIN
    IMPLICIT NONE
    INTEGER::A,B
    COMMON A,B
    A=1
    B=2
    CALL SUB()
END PROGRAM

SUBROUTINE SUB()
    IMPLICIT NONE
    INTEGER::NUM1,NUM2
    COMMON NUM1,NUM2
    WRITE (*,*) NUM1,NUM2
    RETURN
END SUBROUTINE SUB

由于全局变量使用的“地址对应”的方法在程序中共享数据，如果在主程序中声明了6个全域变量，而子程序中只需使用某几个，但是不得不把所有变量都写出来。
一个好的解决办法是将全域变量分区，举个栗子：

PROGRAM MAIN
    IMPLICIT NONE
    INTEGER::A,B,C,D
    COMMON /GROUP1/ A,B
    COMMON /GROUP2/ C,D
    A=1
    B=2
    C=3
    D=4
    CALL SUB_1()
    CALL SUB_2()
END PROGRAM 

SUBROUTINE SUB_1()
    IMPLICIT NONE
    INTEGER::NUM1,NUM2
    COMMON/GROUP1/ NUM1,NUM2
    WRITE (*,*) NUM1,NUM2
    RETURN
END SUBROUTINE SUB_1

SUBROUTINE SUB_2()
    IMPLICIT NONE
    INTEGER::NUM1,NUM2
    COMMON/GROUP2/ NUM1,NUM2
    WRITE (*,*) NUM1,NUM2
    RETURN
END SUBROUTINE SUB_2

4. BLOCK DATA 模块

如果想给全局变量COMMON设置初值，不能直接在子程序或者主程序中使用DATA来设置，要在BLOCK DATA程序模块中使用DATA命令。BLOCK DATA会在主程序执行前生效，不过它的功能只在于设置全局变量COMMON的初值，不能有其他执行命令出现。具体语法如下：

 BLOCK DATA NAME          !NAME可以省略
    IMPLICIT NONE         !最好不要省略
    INTEGER ...           !声明变量
    REAL ...
    COMMON ...            !把变量放在公共空间
    COMMON/GROUP1/...     !公共空间分区  
    DATA VAR1,VAR2,...,VARN/VALUE1,VALUE2,...,VALUEN/     !DATA语句赋初值
    .........
    .........
END BLOCK DATA NAME       !可以只写END或END BLOCK DATA

注意，全局变量COMMON不能声明成常量，所以BLOCK DATA中不能出现PARAMETER。此外，COMMON语法在数据共享式会出现很多限制和不足，建议不要使用而采用MODULE语句来实现数据共享。

7、文件

在Fortran程序中使用文件，需要输入/输出单元（I/O单元）。
READ(* , *)和WRITE(* , *)语句中的第一个*号与 I/O单元 相对应。当*号被 I/O单元号 代替时，程序对应的读和写将指向该单元指定的设备，替代预定标准的输入或输出设备。

注：I/O单元号必须为整数类型； I/O单元号为 5 预定义为程序的标准输入设备（即键盘），为 6；
预定义为程序的标准输出设备（即显示器），此时用*号表示。

1) OPEN

语句：OPEN( open_list )，其中open_list是一组子句，分别指定I/O单元号、文件名和关于如何存取文件的信息。
特性：子句中各项参数的顺序可以任意安排；子句用逗号,隔开。

子句中最重要的有以下六项：
UNIT = int_expression，指明与文件关联的I/O单元号，int_expression为非负的整数值；
FILE = char_expression，指定要打开的文件名，char_expression为文件名称的字符值；
STATUS = char_expression，指定要打开文件的状态，char_expression的取值为下列中的一个：OLD，NEW，REPLACE，SCRATCH 或 UNKNOW；
ACTION = char_expression，指定文件以读或写的方式打开，char_expression的取值为下列中的一个：READ，WRITE 或 READWRITE，如未指定则是以读写方式打开；
IOSTAT = int_variable，指定一个整数变量名，把打开操作的状态返回到这个int_variable变量中。如果OPEN语句成功执行，则整数变量int_variable的值为0，其它数值则是未成功执行（不同处理器，相应系统错误信息会不同）；
IOMSG = char_variable，指定一个字符变量名。如果OPEN语句成功执行，字符变量char_variable的内容不会变化，如没成功执行，一个描述错误的信息将返回到该字符串中。

2) CLOSE
语句：CLOSE( close_list )，close_list必须包含一个指定I/O单元号的子句，还可以指定其它选项。
特性：文件关闭后，相关联的I/O单元被释放，可以用OPEN将该单元号重新分配给其它任意文件；如果程序中没有包含对给定文件的CLOSE语句，这个文件将在程序结束时被自动关闭。

3) READ
在使用READ语句时，可以添加IOSTAT = int_variable 和 IOMSG = char_variable子句，检查是否发生读取错误，并返回相应信息，而不引起程序异常中断。

1. IOSTAT = int_variable，
   当READ语句成功执行时，int_variable的值为0；
   当READ语句执行失败，如读取的变量不符合所定义类型时，int_variable的值为与系统错误信息相对应的正数；
   当READ语句执行至数据文件的尾部时，语句会执行失败，int_variable的值为负数。

2. IOMSG = char_variable，
   当IOSTAT变量值为非0时，IOMSG会已语句形式返回字符串来解释发生的错误。

注意：当从文件中读取数据时，READ语句应总是包含IOSTAT子句，使得程序可以检查所读取的数据是否符合要求（如类型判断），以及避免读取文件结尾之外行信息时的异常中断。

e.g.举个栗子：现有一个数据文件，有多行，每一行中有1个数据，数据类型是实数型，通过输入文件名来获取其中的数据，输出内容为实数数据及其对应行号，并交代总行数（即数据个数）。同时，需要能够返回数据读取失败时的信息提醒，以及文件打开错误时的信息提醒。代码如下：

PROGRAM read_file
IMPLICIT NONE
CHARACTER(len = 20)::filename        ! 文件名称
CHARACTER(len = 80)::msg             ! 打开文件错误时的异常信息
INTEGER::nvals = 0                   ! 读取数据的行数
INTEGER::status1 , status2           ! 打开文件和读取数据的状态信息
REAL::value                          ! 需读取文件中的数据

WRITE(*,*) 'Please enter input file name'    ! 读取需要打开的文件
READ(*,*) filename
WRITE(*,1000) filename
1000 FORMAT('The input file name is: ' , A)

OPEN(UNIT = 3 , FILE = filename , STATUS = 'OLD' , ACTION = 'READ' , IOSTAT = status1 , IOMSG = msg)  ! 打开文件

openif:IF(status1 == 0 ) THEN    ! 文件打开成功
    readloop:DO
    READ(3 , * , IOSTAT = status2) value
    IF(status2 /= 0) EXIT        ! 如果数据读取失败，跳出DO循环
    nvals = nvals + 1
    WRITE(*,1010) nvals,value
    1010 FORMAT('Line ',I6,' :Value = ',F10.4)
    END DO readloop
    readif:IF(status2 > 0) THEN      ! 发生了数据读取错误
        WRITE(*,1020) nvals+1
        1020 FORMAT('An error occurred reading line ',I6)        ! 交代在哪一行读取数据失败
        ELSE readif     ! 到达数据结尾
        WRITE(*,1030) nvals
        1030 FORMAT('End of file reached.There were ' , I6 , ' values in the file.')   ! 交代已经到达文件结尾
    END IF readif
ELSE openif         ! 文件打开失败
    WRITE(*,1040) status1
    1040 FORMAT('Error opening file : IOSTAT = ',I6)
    WRITE(*,1050) TRIM(msg)   ! 返回错误信息
    1050 FORMAT(A)   
END IF openif

CLOSE(UNIT = 3)     ! 关闭文件

STOP 
END PROGRAM read_file

由于目前一些语法暂时还没有用到，例如派生数据类型与结构体、指针与动态链表、存储关联、绘图等，这里不做过多记录。
后续会持续补充遇到的问题 = w =

开始学跳舞的乔木同学 2020.04.26.