Fortran: Druckversion

Fortran

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Einleitung

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Fortran ist eine Programmiersprache, die insbesondere für numerische Berechnungen eingesetzt wird. Der Name entstand aus FORmula TRANslation und wurde bis zur Version FORTRAN 77 mit Großbuchstaben geschrieben.

Geschichte

Eine FORTRAN-Lochkarte aus den Anfangstagen des Computerzeitalters

Fortran gilt als die erste jemals tatsächlich realisierte höhere Programmiersprache. Sie geht zurück auf einen Vorschlag, den John W. Backus, Programmierer bei IBM, 1953 seinen Vorgesetzten unterbreitete.

Dem Entwurf der Sprache folgte die Entwicklung eines Compilers durch ein IBM-Team unter Leitung von John W. Backus. Das Projekt begann 1954 und war ursprünglich auf sechs Monate ausgelegt. Tatsächlich konnte Harlan Herrick, der Erfinder der später heftig kritisierten Goto-Anweisung, am 20. September 1954 das erste Fortran-Programm ausführen. Doch erst 1957 wurde der Compiler für marktreif befunden und mit jedem IBM 704-System ausgeliefert. Backus hatte darauf bestanden, den Compiler von Anfang an mit der Fähigkeit zu Optimierungen auszustatten: er sah voraus, dass sich Fortran nur dann durchsetzen würde, wenn ähnliche Ausführungsgeschwindigkeiten wie mit bisherigen Assembler-Programmen erzielt würden.

Versionen

Genealogie

Fortran wurde mehrmals erweitert. Viele neue Sprachelemente wurden zunächst von einem einzelnen Hersteller eingeführt und später in den internationalen Standard übernommen. Als Versionen folgten aufeinander FORTRAN I, FORTRAN II, FORTRAN IV, FORTRAN 66, FORTRAN 77, Fortran 90, Fortran 95, Fortran 2003, Fortran 2008, Fortran 2018, Fortran 2023. Ab FORTRAN 66 ist Fortran von einer internationalen Organisation standardisiert. Die Fortschreibung der Standards ist ein komplizierter Prozess, der oft wesentlich länger dauert als zunächst angestrebt: Der Nachfolger des 1978 erschienenen Standards FORTRAN 77, der als Fortran 8x bezeichnet wurde, war ursprünglich für das Jahr 1982 geplant, später dann für das Jahr 1985, und wurde schließlich unter der Bezeichnung Fortran 90 erst am 11. April 1991 als neuer Standard und Nachfolger von FORTRAN 77 angenommen.

Im Laufe dieser Erweiterungen wurden zahlreiche Sprachelemente aus neueren Programmiersprachen übernommen. Beruhte früher Fortran-Stil noch ganz auf Goto-Anweisungen, kann man seit FORTRAN 77 uneingeschränkt strukturiert programmieren. Mit Fortran 90 wurde das aus der Lochkartenzeit stammende Zeilenformat freigegeben. Ab Fortran 90 wurden interessante Elemente eingeführt, die auch z.B. in Ada vorhanden sind, beispielsweise optionale Parameter und die Möglichkeit, Prozedurparameter nicht nur über die Position in der Parameterliste zu identifizieren, sondern über ihren Namen.

Varianten

Einige von Fortran abgeleitete Programmiersprachen bzw. Dialekte von Fortran sind beispielsweise Ratfor, F und HPF (High Performance Fortran). Auf Fortran aufgesetzt ist das Finite-Elemente-Programmpaket Nastran.

Eigenschaften

Fortran war und ist für numerische Berechnungen vorgesehen und optimiert. Von Anfang an hatte Fortran den Potenz-Operator **. Dieser ist in vielen anderen Hochsprachen nicht vorhanden. Weiters kennt Fortran einen Datentyp für komplexe Zahlen. Mit Fortran 90 wurden Vektor- und Matrix-Operationen standardisiert. Insbesondere für wissenschaftliche und numerische Berechnungen gibt es in FORTRAN umfangreiche Bibliotheken, die immer noch weit verbreitet sind, auch wenn eine zunehmende Menge an Routinen inzwischen nach C und C++ portiert wurde.

Compiler

Kommerzielle Software

F95-Compiler gibt es für praktisch alle Computer, von Arbeitsplatzrechnern bis zu Supercomputern. Hersteller hierfür sind entweder die Computerhersteller wie z.B. IBM, HP, Intel oder aber spezialisierte Softwarehersteller wie z.B. Absoft, PGI, NAG, Lahey, Silverfrost/Salford. Reine F77-Compiler werden heute zumeist nicht mehr hergestellt, da Fortran 77 fast vollständig im Sprachstandard Fortran 95 enthalten ist.

Manche der oben genannten Compiler sind für Privatanwender bzw. nichtkommerzielle Nutzung kostenlos.

Freie Software

Seit Version 4.0 der GNU Compiler Collection (GCC), die praktisch für alle Plattformen vorhanden ist, enthält diese ein Fortran 95-Frontend (gfortran). Die Version 8.0 unterstützt Fortran 2003 nahezu vollständig und Fortran 2008 zum großen Teil.

Übersetzer

Es gibt Programme, wie z.B. f2c, zur automatischen Übersetzung von Fortran in (allerdings kaum lesbares) C.

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Was ist ein Compiler?

Compilerschema

Ein Compiler (auch Kompilierer oder Übersetzer) ist ein Computerprogramm, das ein in einer Quellsprache geschriebenes Programm - genannt Quellprogramm - in ein semantisch äquivalentes Programm einer Zielsprache (Zielprogramm) umwandelt. Üblicherweise handelt es sich dabei um die Übersetzung eines von einem Programmierer in einer Programmiersprache geschriebenen Quelltextes in Assemblersprache, Bytecode oder Maschinensprache. Das Übersetzen eines Quellprogramms in ein Zielprogramm durch einen Compiler wird als Kompilierung oder auch als Übersetzung bezeichnet.

Die Bezeichnung Compiler (engl. to compile: zusammenstellen) ist eigentlich irreführend. Ursprünglich bezeichnete das Wort Compiler Programme, die Unterprogramme zusammenfügen (etwa mit heutigen Linkern vergleichbar). Dies geht an der heutigen Kernaufgabe eines Compilers vorbei.

Verwandt mit einem Compiler ist ein Interpreter, der ein Programm nicht in die Zielsprache übersetzt, sondern Schritt für Schritt direkt ausführt.

Aufbau eines Compilers

Compiler werden in verschiedene Phasen gegliedert, die jeweils verschiedene Teilaufgaben des Compilers übernehmen. Sie werden sequentiell ausgeführt. Im Wesentlichen lassen sich zwei Phasen unterscheiden: das Frontend (auch Analysephase), das den Quelltext analysiert und daraus einen attributierten Syntaxbaum erzeugt, sowie das Backend (auch Synthesephase), das daraus das Zielprogramm erzeugt.

Frontend (auch „Analysephase“)

Im Frontend wird der Code analysiert, strukturiert und auf Fehler geprüft. Es ist auch selbst wieder in Phasen gegliedert:

Lexikalische Analyse

Die lexikalische Analyse zerteilt den eingelesenen Quelltext in zusammengehörende Token verschiedener Klassen, z. B. Schlüsselwörter, Bezeichner, Zahlen und Operatoren. Dieser Teil des Compilers heißt Scanner oder Lexer.

Ein Scanner benutzt gelegentlich einen separaten Screener, um Whitespace (also Leerzeichen, Tabulatorzeichen, Zeilenenden) und Kommentare zu überspringen.

Syntaktische Analyse

Die syntaktische Analyse überprüft, ob der eingelesene Quellcode ein korrektes Programm der zu übersetzenden Quellsprache ist, d. h. der Syntax (Grammatik) der Quellsprache entspricht. Dabei wird die Eingabe in einen Syntaxbaum umgewandelt. Dieser Teil wird auch als Parser bezeichnet.

Semantische Analyse

Die semantische Analyse überprüft die statische Semantik, also über die syntaktische Analyse hinausgehende Bedingungen an das Programm. Zum Beispiel muss eine Variable in der Regel deklariert worden sein, bevor sie verwendet wird, und Zuweisungen müssen mit kompatiblen (verträglichen) Datentypen erfolgen. Dies kann mit Hilfe von Attributgrammatiken realisiert werden. Dabei werden die Knoten des vom Parser generierten Syntaxbaums mit Attributen versehen, die Informationen enthalten. So kann zum Beispiel eine Liste aller deklarierten Variablen erstellt werden. Die Ausgabe der semantischen Analyse nennt man dann dekorierter oder attributierter Syntaxbaum.

Backend (auch „Synthesephase“)

Das Backend erzeugt aus dem vom Frontend erstellten attributierten Syntaxbaum den Programmcode der Zielsprache.

Zwischencodeerzeugung

Viele moderne Compiler erzeugen aus dem Syntaxbaum einen Zwischencode, der schon relativ maschinennah sein kann und führen auf diesem Zwischencode z. B. Programmoptimierungen durch. Das bietet sich besonders bei Compilern an, die mehrere Quellsprachen oder verschiedene Zielplattformen unterstützen. Hier kann der Zwischencode auch ein Austauschformat sein.

Programmoptimierung

Der Zwischencode ist Basis vieler Programmoptimierungen.

Codegenerierung

Bei der Codegenerierung wird der Programmcode der Zielsprache entweder direkt aus dem Syntaxbaum oder aus dem Zwischencode erzeugt. Falls die Zielsprache eine Maschinensprache ist, kann das Ergebnis direkt ein ausführbares Programm sein oder eine so genannte Objektdatei, die durch das Linken mit der Laufzeitbibliothek und evtl. weiteren Objektdateien zu einer Bibliothek oder einem ausführbaren Programm führt.

Geschichte

Die Geschichte des Compilerbaus wurde von den jeweils aktuellen Programmiersprachen und Hardwarearchitekturen geprägt. Der erste Compiler (A-0) wurde 1952 von der Mathematikerin Grace Hopper entwickelt. Weitere frühe Meilensteine sind 1954 der erste FORTRAN-Compiler und 1960 der erste COBOL-Compiler. Viele Architekturmerkmale heutiger Compiler wurden aber erst in den 1960er Jahren entwickelt.

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Gfortran

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Was ist gfortran?

gfortran (oder GNU Fortran) ist ein Fortran-Compiler-Frontend für die GNU Compiler Collection (GCC).

Installation

Vorcompilierte Pakete und Anleitungen zur Installation von gfortran finden sich gegliedert nach Betriebssystem und Prozessortyp auf: [1]

Starten des gfortran-Compilers

MS Windows

Nach erfolgter Installation befindet sich das gfortran-Softwarepaket beispielsweise im Verzeichnis C:\Programme\gfortran. Zwecks Funktionstest wird die Eingabeaufforderung von MS Windows gestartet und der gfortran-Compiler aufgerufen:

Das Fortran-Programm für einen ersten konkreten Compilertest könnte so aussehen

program test 
  write (*,*) 'Hallo Welt!'
end program test

Dieses Quellprogramm werde via Texteditor für dieses Beispiel unter dem Dateinamen test.f90 im Verzeichnis c:\tmp gespeichert. Nun wird das Programm compiliert und gebunden

und liegt dann unter dem Programmnamen a.exe als ausführbares Programm vor. Die Startanweisung für das Programm a.exe inklusive unmittelbar danach folgender Programmausgabe sieht so aus.

Alternativ kann a.exe natürlich auch konventionell mittels Windows-Explorer gestartet werden. In diesem speziellen Fall wäre aber bis auf ein kurzes Aufblinken des Eingabeaufforderungs-Fensters nicht viel zu sehen, da das Programm nach der Textausgabe beendet wird.

Linux

Für die Linux-Variante des gfortran-Compilers gilt prinzipiell dieselbe Vorgehensweise wie für die Windows-Variante.

Compilieren des Beispielprogrammes:

Starten des ausführbaren Programms a.out und Anzeige der Programmausgabe:

Durch entsprechende Nutzung des Linux-PATH-Mechanismus (z.B. symbolischer Link in ein PATH-Verzeichnis oder Aufnahme des ./gfortran/bin/-Verzeichnisses in den PATH) kann die Angabe des gesamten Compilerpfades bei jedem gfortran-Compileraufruf entfallen.

Dateiendungen für Quelldateien

Mit gfortran lassen sich Programme verschiedener Fortran-Sprachstandardversionen kompilieren. Der Fortran-Typ wird üblicherweise durch die Dateiendung der Quelldatei festgelegt.

Dateiendung	Fortran-Version
.f	FORTRAN 77 (fixes Zeilenformat)
.f90	Fortran 90 (freies Zeilenformat)
.f95	Fortran 95 (freies Zeilenformat)
.f03	Fortran 2003 (freies Zeilenformat)
.F	FORTRAN 77 (fixes Zeilenformat) mit Preprocessing durch cpp
.F90	Fortran 90 (freies Zeilenformat) mit Preprocessing durch cpp
.F95	Fortran 95 (freies Zeilenformat) mit Preprocessing durch cpp
.F03	Fortran 2003 (freies Zeilenformat) mit Preprocessing durch cpp

Anwendung

In der Anwendung gleicht gfortran anderen GCC-Frontends (z. B. gcc, g++ oder g77).

• Übersetzung einer Quelldatei in die ausführbare Datei a.out (bzw. a.exe auf MS Windows-Systemen):

gfortran bsp.f90

• Übersetzung einer Quelldatei in eine Objektdatei bsp.o:

gfortran -c bsp.f90

• Übersetzung einer Quelldatei in die ausführbare Datei bsp:

gfortran -o bsp bsp.f90

• Statisches Linken:

gfortran -static -o bsp bsp.f90

• Mehrere Quelldateien kompilieren und zu einer ausführbaren Datei linken:

gfortran -c bsp1.f90

gfortran -c bsp2.f90

gfortran -o bsp bsp1.o bsp2.o

• Mehrere Quelldateien in einer Anweisung kompilieren und zu einer ausführbaren Datei linken:

gfortran -o bsp bsp1.f90 bsp2.f90

Prüfung des Quellcodes auf Standardkonformität

Zur Sicherstellung einer strikten Standardkonformität kann die Option std mit folgenden Parametern verwendet werden:

Parameter	Kommentar
f95	Fortran 95
f2003	Fortran 2003 (noch nicht vollständig implementiert [Stand: Dez. 2005])
gnu	Fortran mit GNU-Erweiterungen
legacy

• Beispiele:

gfortran -std=f95 bsp.f

gfortran -std=f95 -W -Wall -pedantic bsp.f

Historisches

Mit g95 [2] stand dem Fortran-Programmierer ein weiterer freier (im Sinne von Freier Software) Kommandozeilen-Compiler zur Verfügung, der für eine Vielzahl von Plattformen erhältlich war. g95 und gfortran basierten auf dem selben Programmcode. Im Jahr 2003 gabelten sich die Entwicklungszweige. gfortran ist nun Teil der GCC. Die Entwicklung von g95 wurde vom ursprünglichen Programmautor Andrew Vaught unabhängig davon weitergeführt. Laut [3] wird g95 seit dem Jahr 2013 nicht mehr weiterentwickelt.

gfortran-Weblinks

• GNU Fortran
• GNU Fortran-Wiki

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Fortran: Ifort

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Allgemeines

Der Intel Fortran Compiler for Linux ist ein Fortran-Compiler, der für nicht-kommerzielle Zwecke auch in einer kostenfreien Variante verfügbar ist. Beeindruckend ist auch die diesem Softwarepaket beigegebene ausführliche Dokumentation, vor allem die knapp 900-seitige "Intel Fortran Language Reference". Im Intel Fortran Compiler sind neben den üblichen Fortran-Standardfunktionen auch eine Unmenge eigener Subroutinen und Funktionen implementiert.

Installation

1. Eine Downloadadresse und der Lizenzschlüssel für den Intel Fortran Compilers for Linux werden nach einer Registrierungsprozedur auf der Intel-Website per E-Mail übermittelt.
2. Download der Compiler-Software.
3. Entpacken der gepackten Datei (gunzip, tar).
4. Die eigentliche Installation des Intel Fortran Compilers erfolgt mittels install-Skript.

Dateiendungen für Quelldateien

Mit dem Intel Fortran Compiler lassen sich Programme verschiedener Fortran-Sprachstandardversionen kompilieren. Der Fortran-Typ wird üblicherweise durch die Dateiendung der Quelldatei festgelegt.

Dateiendung	Fortran-Version
.f, .for, .fnt, .i	FORTRAN 77 (fixes Zeilenformat)
.f90, .i90	Fortran 90/95 (freies Zeilenformat)
.F, .FOR, .FTN, .FPP, .fpp	FORTRAN 77 (fixes Zeilenformat) mit Preprocessing
.F90	Fortran 90/95 (freies Zeilenformat) mit Preprocessing

Anwendung

In der Anwendung gleicht der Intel Fortran Compiler dem GNU Fortran Compiler. Die offensichtlichsten Unterschiede sind:

• Die Intel Fortran Compiler-Software wird mittels ifort gestartet
• Die Intel Fortran Compiler-Software kennt die Dateiendungen .f95 und .F95 nicht
• Die Intel Fortran Compiler-Software enthält einen eigenen Kommandozeilendebugger idb.
• idb bietet auch ein GUI .
• Die Benutzung von anderen Debuggern wie gdb ist auch möglich.

• Übersetzung einer Quelldatei in die ausführbare Datei a.out:

ifort bsp.f90 

• Übersetzung einer Quelldatei in eine Objektdatei bsp.o:

ifort -c bsp.f90 

• Übersetzung einer Quelldatei in die ausführbare Datei bsp:

ifort -o bsp bsp.f90 

• Mehrere Quelldateien kompilieren und zu einer ausführbaren Datei linken:

ifort -c bsp1.f90 

ifort -c bsp2.f90 

ifort -o bsp bsp1.o bsp2.o  

• Mehrere Quelldateien in einer Anweisung kompilieren und zu einer ausführbaren Datei linken:

ifort -o bsp bsp1.f90 bsp2.f90 

Weblinks

• Website zum Intel Fortran Compiler
• Free Intel Software Development Tools

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Was ist eine Programmiersprache?

Früher wurden Computer "debugged", heutzutage Computerprogramme

Programmiersprache

In Kurzform: Eine Programmiersprache ist eine Sprache zwecks Abfassung von Computerprogrammen.

Einordnung von Fortran

Generell

• Fortran ist eine höhere Programmiersprache (Higher Level Language, HLL, Programmiersprache der 3. Generation)
• Fortran ist eine prozedurale Programmiersprache (Prozedurale Programmierung)
• Fortran ist eine imperative Programmiersprache (Imperative_Programmierung)
• Fortran ist eine objektorientierte Programmiersprache (ab Fortran 2003, Objektorientierte Programmierung).
• Fortran verwendet das Konzept der starken Typisierung. Fortran kennt explizite und implizite Typisierung (Typisierung (Informatik))
• Fortran ist eine sehr alte Programmiersprache, die aber laufend weiterentwickelt und somit den modernen Trends immer wieder angepasst wurde und wird.

Popularität

Die Popularität einer Programmiersprache einigermaßen fundiert zu bestimmen ist nicht einfach. Dennoch gibt es Institutionen, die das versuchen, sei es über die Anzahl von Einträgen in Suchmaschinen, Zugriffstatistiken für Internetseiten, Nutzerbefragungen oder auch zeitliche Veränderungen bei Buchverkäufen. Hier wird stellvertretend eine dieser Statistiken angeführt:

Lt. TIOBE lag Fortran im Juli 2021 hinsichtlich Popularität mit einem Rating von 1,12% an 14. Stelle von insgesamt 100 gelisteten Programmiersprachen (mit einer stark steigenden Tendenz im letzten Jahr). Das ist zwar weit hinter dem führenden Dreigespann C, Java und Python. Dennoch rangierte Fortran in dieser Statistik vor anderen bekannten Programmiersprachen, wie z.B. Ruby, Perl, Lisp oder Haskell. Im Mai 2022 rutschte Fortran auf die 30. Stelle ab und erklomm im August 2022 wieder die 19. Stelle. (TPCI - TIOBE Programming Community Index).

Solche Statistiken sind natürlich mit Vorsicht zu geniessen, aber in Form eines groben Richtwerts "Daumen mal Pi" können sie schon einen ersten Eindruck von Verbreitung und Popularität einer Programmiersprache geben.

Im Bereich der numerische Datenverarbeitung, insbesondere auf Hochleistungsrechnern, ist Fortran gemeinsam mit C/C++ nach wie vor führend.

Ein Überblick über die historische Entwicklung von Fortran

Simulation von Galaxien mittels Fortran-Programm

Jahr	Version	Anmerkungen
1954 bis 1957	FORTRAN, FORTRAN I	entwickelt von einem IBM-Team unter Leitung von John W. Backus, war dies die erste wirklich erfolgreiche höhere Programmiersprache
1957/58	FORTRAN II	Inline-Assembler, Kommentare, u.a.
1958	FORTRAN III	einige kleinere Änderungen, wurde aber nie offiziell freigegeben
1961/62	FORTRAN IV	eine verbesserte und erweiterte Version
1966	FORTRAN 66	die erste standardisierte Fortran-Version und gleichzeitig überhaupt die erste standardisierte höhere Programmiersprache
1978	FORTRAN 77	DO-Schleife, IF THEN-ELSE IF-ELSE-END IF, CHARACTER-Datentyp, u.a.
1991	Fortran 90	free form style, Module, Zeiger, Datenverbund, u.v.m.
1997	Fortran 95	kleinere Änderungen
2003	Fortran 2003	OOP, C-Binding, u.a.
2010	Fortran 2008	Co-Arrays, Submodules, diverse neue Funktionen und viele andere kleinere Änderungen
2018	Fortran 2018	viele kleinere Änderungen
2023	Fortran 2023

Siehe auch:

• Fortran 2023
• Programmiersprache Fortran 2018 veröffentlicht
• The historical development of Fortran
• A Brief History of FORTRAN/Fortran
• FORTRAN I

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Programmaufbau

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Beispiel: Hallo Welt

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM HALLO C C Das typische Hallo Welt-Programm C WRITE (*,*) 'Hallo Welt!' END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Wie Sie an diesem Beispiel ersehen, weist FORTRAN-77-Code eine charakteristische Struktur auf. Etwas seltsam mutet an, dass die Programmanweisungen nicht am Zeilenanfang stehen, sondern mehrere Leerzeichen eingerückt sind. Das ist obligatorisch, ansonsten würde sich das Programm nicht kompilieren lassen. Die Nummerierungen oberhalb und unterhalb der Programmanweisungen (12345678901...) gehören übrigens nicht zum FORTRAN-Code, sondern sollen nur die Spaltenstruktur von FORTRAN-77-Programmen verdeutlichen und die Orientierung etwas erleichtern.

Weiter ist zu erkennen, dass das Beispiel sehr kurz und aussagekräftig ausfällt. Die Anweisung in der ersten Zeile kennzeichnet die Programmeinheit als Hauptprogramm und gibt ihr die Bezeichnung HALLO. Die nächsten drei Zeilen sind Kommentarzeilen, erkennbar am Buchstaben in der ersten Spalte der Zeile. Dann folgt die Anweisung, einen String auf die Standardausgabe zu schreiben. Und schließlich signalisiert die END-Anweisung das Programmende.

Das Zeilenformat

Normalerweise gilt, dass jede FORTRAN-Anweisung in einer eigenen Zeile steht. Eine Spezialität von FORTRAN 77 ist die Spaltenorganisation eines Programmes: das fixe Zeilenformat. Es gibt fixe Spalten (Zeichenpositionen) in denen bestimmte Inhalte stehen müssen bzw. dürfen. Diese Art der Codeanordnung rührt von den Anforderungen der Lochkarte her. Bei den damaligen Großrechenanlagen war die Eingabe von Programmen häufig nur in Form von Lochkartenstapeln möglich. FORTRAN 77 nimmt auf diese Beschränkung Rücksicht.

Lochkarte mit Fortran-Statements

Der generelle Aufbau des fixen Zeilenformates von FORTRAN 77 ist wie folgt:

In der nachstehenden Tabelle wird die Bedeutung der einzelnen Spalten detaillierter dargestellt.

Spalte	Inhalt	Bedeutung
1	C oder *	Kennzeichnet eine Kommentarzeile
1 bis 5	Eine Zahl 1 bis 99999	Anweisungsnummer (Marke)
6	Leerzeichen oder 0 (Null)	Beginn einer Anweisung (das ist der Normalfall)
6	sonstiges Zeichen	Fortsetzungszeile (standardmäßig sind bis zu 19 Fortsetzungszeilen erlaubt)
7 bis 72		FORTRAN-Befehl (Anweisung)
73 bis 80	beliebige Zeichen	Kommentar (ursprünglich für Lochkarten-Sequenznummern)

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP * Leerzeilen werden übrigens wie Kommentarzeilen behandelt * Eine 0 (Null) an der sechsten Position entspricht einem Leerzeichen, * foerdert aber nicht gerade die Uebersichtlichkeit 0A = 5 B = 7 C = A + * Und jetzt kommt eine Fortsetzungszeile $B WRITE (*,*) C END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Besondere Vorsicht ist bei langen Anweisungen geboten. Alles nach der 72 Zeichenposition wird nicht mehr als Teil der Anweisung aufgefasst. Im günstigsten Fall wirft der Compiler in einem solchen Fall bei der Übersetzung einen Syntaxfehler aus.

Die Programmstruktur für das Hauptprogramm

Ein Hauptprogramm weist immer folgende Struktur auf

1. PROGRAM prname
2. Vereinbarungsteil
3. Aktionsteil
4. END

prname ist ein symbolischer Name für das Hauptprogramm und kann mehr oder minder willkürlich festgelegt werden. Das erste Zeichen muss immer ein Buchstabe sein. Im Vereinbarungsteil werden z. B. die Variablen deklariert. Im Aktionsteil wird dann der eigentliche Programmablauf festgelegt. END kennzeichnet das Programmende. Theoretisch könnte im Hauptprogramm die erste Zeile (PROGRAM prname) auch komplett entfallen. In älteren Programmcodes wurde das durchaus auch so gehandhabt. Allerdings leidet darunter die Übersichtlichkeit des Programmes. Die END-Anweisung muss auf jeden Fall angegeben werden.

Der FORTRAN-Zeichenvorrat

FORTRAN-77-Programme bestehen standardmäßig nur aus folgenden Zeichen

• Großbuchstaben: A bis Z
• Ziffern: 0 bis 9
• 13 Sonderzeichen: + - * / = ( ) : , . ' $ und dem Leerzeichen

Viele FORTRAN-77-Compiler akzeptieren auch Kleinbuchstaben. Zeichenkettenliterale können natürlich alle ASCII-Zeichen beinhalten.

Symbolische Namen

Standardmäßig dürfen symbolische Namen maximal sechs Zeichen lang sein. Als erstes Zeichen muss immer ein Buchstabe (A-Z) stehen, der Rest muss alphanumerisch sein (Buchstabe oder Ziffer). „Lustigerweise“ dürfen bei FORTRAN 77 Leerzeichen auch innerhalb eines symbolischen Namens auftreten.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PR O GRA M BSP * * gfortran, g95, ifort etc. kompilieren diesen Code und * bei der Programmausfuehrung wird auch das richtige * Ergebnis angezeigt. * ALPHA = 5 BETA = 7 GAMm a = A L PH A + B E TA WRI TE (*,*) G A MM A EN D

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Besonders unangenehm kann dieses Verhalten werden, wenn in einer Zählschleife anstelle eines Kommas irrtümlicherweise ein Punkt gesetzt wird, wenn also z. B. anstelle

DO 10 I = 1, 3

fälschlicherweise

DO 10 I = 1. 3

steht. Letzteres entspricht nämlich der Zuweisung der Zahl 1.3 an die Variable DO10I.

Gleiches gilt, wenn ähnlich wie in den Programmiersprachen C, C++ oder Java versucht wird, einer Variablen gleich in einer Deklarationszeile einen Wert zuzuweisen, z. B.

REAL A = 10.5
WRITE(*,*) A

Hier wird irgendein Wert ausgegeben, aber mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit nicht 10.500000, denn die Wertzuweisung erfolgte an die Variable REALA und nicht an A.

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Datentypen, Variablen, Wertzuweisungen, Konstanten

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Dieses Kapitel handelt von Datentypen, Variablen, Konstanten und der Wertzuweisung.

Datentypen

Arithmetische Datentypen

FORTRAN 77 unterscheidet standardmäßig zwischen vier arithmetischen Datentypen:

Datentyp	Kommentar	Literale (Beispiele)
INTEGER	Ganzzahlen	15, -6500, 200 000 000
REAL	Reelle Zahlen einfacher Genauigkeit	3.1415, -5.5, .7E3, 12.5E-5
DOUBLE PRECISION	Reelle Zahlen doppelter Genauigkeit	3.1415D0, -5.5D0, .7D3, 12.5D-5
COMPLEX	Komplexe Zahlen (zwei REAL-Zahlen)	(3.1415, -5.5), (1.4, 7.1E4)

Logischer Datentyp

Datentyp	Kommentar	Literale (alle)
LOGICAL	Logischer Datentyp (wahr oder falsch)	.TRUE., .FALSE.

Manchmal sind in alten FORTRAN-Programmen auch folgende Schreibweisen zu finden, welche jedoch nicht standardkonform sind:

• INTEGER*4, REAL*4, LOGICAL*4 (Standardgrößen)
• INTEGER*1, LOGICAL*1
• INTEGER*2, LOGICAL*2
• REAL*8 (entspricht DOUBLE PRECISION)
• COMPLEX*16 (komplexe Zahlen mit zwei DOUBLE-PRECISION-Elementen)

Die Zahlen geben den Speicherplatzbedarf in Byte an.

Zeichenketten

Datentyp	Kommentar	Beispiel (Konstante)
CHARACTER*n	Zeichenkette (String) mit einer Länge von n Zeichen	'Hallo, Welt!'
CHARACTER	Zeichenkette mit einer Länge von einem Zeichen (entspricht CHARACTER*1)	'A'

Beachte: Im Gegensatz zu vielen anderen Programmiersprachen werden Zeichenketten in FORTRAN 77 nicht in Anführungszeichen eingeschlossen, sondern in Apostrophe.

Tritt in einem String ein Apostroph auf, so muss dieses verdoppelt werden, z. B.

'Wie geht''s?'

Beispiel:

CHARACTER*5 STR
STR = 'Hallo'

Alternative Schreibweise:

CHARACTER STR*5
STR = 'Hallo'

Variablen

Eine Variable ist charakterisiert durch einen

• symbolischen Namen
• Datentyp
• Wert
• Speicherplatz

Beim Programmstart hat eine Variable keinen definierten Wert. Eine Variable kann ihren Datentyp auf zwei Arten erhalten, durch implizite oder explizite Typanweisung.

Implizite Typanweisung

Bei der impliziten Typanweisung bestimmt der Anfangsbuchstabe des Variablenbezeichners den Datentyp.

Anfangsbuchstabe der Variablen	Impliziter Datentyp
I, J, K, L, M oder N	INTEGER
alle restliche Buchstaben	REAL

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP B1 = 8.9 C1 = 3. I1 = B1/C1 WRITE (*,*) I1 C Das Ergebnis ist 2, da I1 implizit als INTEGER definiert ist END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Die Standardzuordnung der Anfangsbuchstaben kann durch das Schlüsselwort IMPLICIT auch geändert werden.

Es gibt noch ein weiteres Problem dieser impliziten Datentypzuordnung. Durch Tippfehler können unbeabsichtigt neue Variablen entstehen. Entschärft werden kann diese Tatsache durch folgende Festlegung im Vereinbarungsteil des Programms:

IMPLICIT LOGICAL (A-Z)

Dadurch werden alle Variablen mit implizit festgelegtem Datentyp automatisch zu Variablen mit logischem Datentyp. In vielen Fällen konnten so Tippfehler bei Variablennamen schnell eingegrenzt werden.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP IMPLICIT LOGICAL (A-Z) REAL REE REE = 5.8 C Tippfehler: REA anstatt REE WRITE (*,*) REA + 2.1 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Der Compilierungsversuch mit g77, gfortran und g95 endet mit einer Fehlermeldung. Bei gfortran sieht das so aus

 In file test.f:9

      WRITE (*,*) REA + 2.1
               1
Error: Operands of binary numeric operator '+' at (1) are LOGICAL(4)/REAL(4)

Doch der Intel Fortran Compiler 9.0 zeigt die Grenzen der Sinnhaftigkeit der IMPLICIT-Anweisung in der dargestellten Art und Weise beim heutigen Einsatz von FORTRAN-77-Code auf. Dieser Compiler akzeptiert den Beispielcode warnhinweislos und liefert bei Programmausführung den Wert 2.1. Wirklich Abhilfe schafft also erst die IMPLICIT NONE-Anweisung. Diese legt eindeutig fest, dass ausschließlich die explizite Datentypfestlegung Verwendung finden soll. Allerdings ist IMPLICIT NONE erst ab Fortran-90/95-Standard. In einigen noch erhältlichen FORTRAN-77-Compilern, wie dem g77, ist diese Anweisung im Vorgriff auf den genannten neueren Standard bereits implementiert.

Explizite Typanweisung

Durch die Vorgabe von

datentyp variablenbezeichner

im Vereinbarungsteil des Programms wird der Datentyp einer Variablen explizit festgelegt. Die explizite Typanweisung hat gegenüber der impliziten Typanweisung Vorrang.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP IMPLICIT LOGICAL (A-Z) REAL B REAL C REAL I B = 8.9 C = 3. I = B/C WRITE (*,*) I C Das Ergebnis ist 2.966666 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Benannte Konstanten

Benannte Konstanten können durch das PARAMETER-Schlüsselwort festgelegt werden.

CHARACTER*5 STR
PARAMETER (PI=3.1415, PIFAK=PI/2., STR='Hallo')

Der zugewiesene Wert kann eine Konstante (Literal) oder eine schon definierte benannte Konstante sein. Der Datentyp muss vorher vereinbart werden oder ist implizit bekannt.

Für Zeichenketten ist im Zusammenwirken mit PARAMETER auch eine *-Schreibweise möglich. Dies erspart die explizite Angabe der Stringlänge.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*(*) A PARAMETER (A = 'Jetzt wird auch die Stringlaenge festgelegt') WRITE (*,*) A C Ausgabe: Jetzt wird auch die Stringlaenge festgelegt END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Wertzuweisung

Wertzuweisungen haben wir schon kennengelernt:

variable = ausdruck

Beispiel:

K = 1
K = K + 2

Die Wertzuweisung an eine Variable ist, wie am vorigen Beispiel und auch nachfolgend zu ersehen, nicht zu verwechseln mit einer mathematischen Gleichung. Der Ausdruck

K + 2 = 5 

wäre zwar mathematisch korrekt. Als Wertzuweisung in einem FORTRAN-Programm ist dies aber keine gültige Formulierung. K + 2 ist kein zulässiger Ausdruck auf der linken Seite des Zuweisungsoperators (L-Wert).

Beachte: In FORTRAN 77 ist auch keine Kette von Wertzuweisungen möglich. Der folgende Ausdruck ist in FORTRAN 77 nicht erlaubt und liefert eine Fehlermeldung.

      I = J = K = 1.5
C Fehler!

---

Felder

---

Bei allem, was mehr oder weniger wie ein Vektor, eine Matrix oder eine sonstige Aneinanderreihung von gleichartigen Elementen aussieht, kann der Einsatz von Feldern (Arrays) sinnvoll sein.

Eindimensionale Felder

Für die Deklaration von eindimensionalen Feldern gibt es mehrere Möglichkeiten. Die Feldgrenzen müssen konstante Werte sein. Die Varianten werden nun anhand von Beispielen gezeigt.

Variante 1: Einfach

REAL ARR(10)

Beachte: Der Feldindex läuft hier von 1 bis 10 und nicht von 0 bis 9, wie es bei vielen modernen Hochsprachen der Fall ist.

Variante 2: Das DIMENSION-Schlüsselwort

REAL ARR
DIMENSION ARR(10)

Variante 3: Verwendung von benannten Konstanten

INTEGER MAXIND                    
PARAMETER (MAXIND=10)                   
REAL ARR(MAXIND)

Hier erfolgt die Festlegung der Feldgröße über eine benannte Konstante.

Variante 4: Explizite Angabe der Indexgrenzen

REAL ARR(0:9)

Hier wird Unter- und Obergrenze explizit angegeben. Der Index läuft nun von 0 bis 9. Auch negative Werte für die Indizes sind möglich, z. B.

REAL ARR(-4:5)

Beispiel

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER MAXIND PARAMETER (MAXIND=10) REAL ARR(MAXIND) C ACHTUNG! Array startet mit dem Index 1 C ARR(0) waere ein Fehler! ARR(1) = 1.5 ARR(2) = 2.5 ARR(10) = 10.5 WRITE (*,*) ARR(1) C 1.5 wird ausgegeben WRITE (*,*) ARR(10) C 10.5 wird ausgegeben END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Ein

WRITE (*,*) ARR

listet den gesamten Feldinhalt.

1.500000       2.500000       0.000000      3.9876625E-34   0.000000      3.9902670E-34 -2.7682916E-05  
-2.7269103E-05 -2.9040850E-05   10.50000

Im Beispielsfall wurden die Feldelemente ARR(3) bis ARR(9) nicht explizit vorbelegt. Sie sind deshalb undefinierten Inhalts und können bei jedem Programmaufruf andere Werte annehmen.

Mehrdimensionale Felder

Für mehrdimensionale Felder gelten die gleichen Varianten wie für eindimensionale Felder. Standardmäßig kann ein Feld bis zu sieben Dimensionen besitzen. Die Speicherreihenfolge ist spaltenorientiert. Das bedeutet, der erste Index variiert am schnellsten: $a_{11},a_{21},\ldots ,a_{(n-1)m},a_{nm}$

Beispiel: Ein 2-dimensionales Feld

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*10 ARR(0:9, 2:5) ARR(0, 2) = 'Hallo' ARR(1, 2) = 'Welt' C ... ARR(9, 5) = 'Universum' WRITE (*,*) ARR(0, 2) C Hallo WRITE (*,*) ARR(9, 5) C Universum END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel: Spaltenorientierte Speicherreihenfolge

Die 3×3-Matrix $A={\begin{pmatrix}1&-5&0\\40&3&-2\\-1&9&65\end{pmatrix}}$ soll in ein Fortran-Programm eingelesen und wieder komplett ausgegeben werden. Zusätzlich soll auch der Wert des Feldelementes a₂₃ (2. Zeile, 3.Spalte, Wert = -2) separat ausgegeben werden.

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER ARR(3,3) C Feldelemente einlesen WRITE (*,*) 'Werte (spaltenorientierte Eingabe):' READ (*,*) ARR C Komplettes Feld ausgeben WRITE (*,*) 'Gesamtfeld = ' , ARR C a23 ausgeben WRITE (*,*) 'a23 = ', ARR(2,3) END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Ein-/Ausgabe:

 Werte (spaltenorientierte Eingabe):
1
40
-1
-5
3
9
0
-2
65
 Gesamtfeld =            1          40          -1          -5           3           9           0          
     -2          65
 a23 =           -2

---

Arithmetische Ausdrücke

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Arithmetische Operatoren

FORTRAN 77 kennt folgende arithmetische Operatoren

Operator	Kommentar	Mathematische Entsprechung
A + B	Addition	$A+B$
A - B	Subtraktion	$A-B$
A * B	Multiplikation	$AB$
A / B	Division	${\tfrac {A}{B}}$
A ** B	Exponentiation	$A^{B}$

Mit dem Exponentiationsoperator (Potenzierung) war und ist FORTRAN 77 anderen Programmiersprachen einen Schritt voraus. Andererseits kennt FORTRAN 77 den aus vielen anderen Programmiersprachen bekannten Modulo-Operator nicht. Als Überkompensation gibt es für diesen Zweck die MOD()-Funktion sowohl für Ganzzahlen, wie auch für Fließkommazahlen.

Operatorenpriorität

Die Prioriät der arithmetischen Operatoren entspricht den mathematischen Gesetzmäßigkeiten.

• Klammerung vor allem anderen, z. B. (A+B)*C $\Leftrightarrow$ A*C+B*C
• Exponentiation vor Punktrechnung, z. B. A*B**C $\Leftrightarrow$ A*(B**C)
• Punktrechnung vor Strichrechnung, z. B. A+B*C $\Leftrightarrow$ A+(B*C)

Berechnungsfolge bei gleicher Priorität

• Klammerung, Punktrechnung und Strichrechnung: $\rightarrow$
  Beispiel: A*B/C*D$\Leftrightarrow$((A*B)/C)*D
• Exponentiation: $\leftarrow$
  Beispiel: A**B**C$\Leftrightarrow$ A**(B**C)

Außerdem ist zu beachten, dass niemals zwei Operatoren direkt aufeinander folgen dürfen.

Beispiel: Der Ausdruck 1.5**-1 ist in FORTRAN 77 falsch und führt zu einer Fehlermeldung. Richtig ist 1.5**(-1)

Ergebnisdatentyp

Operanden gleichen Datentyps

Bei Operanden gleichen Datentyps erhält das Ergebnis den Datentyp der Operanden.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP REAL A A = 3/2 C 3 ist ein INTEGER und 2 ist auch ein INTEGER, C daher muss das Ergebnis auch ein INTEGER sein, also 1. C Die Zuweisung an die REAL-Variable A stellt das C Ergebnis nicht mehr richtig. WRITE (*,*) A C Ausgabe: 1.00000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Implizite Typumwandlung bei Operanden gemischten Datentyps

Weisen die Operanden unterschiedliche Datentypen auf, so wird bei jeder Operation, falls nötig, das Ergebnis dem höherwertigen Datentyp angepasst.

INTEGER$\rightarrow$ REAL$\rightarrow$ DOUBLE PRECISION $\rightarrow$ COMPLEX

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP REAL A A = 3/2. C 2. ist ein REAL. Jetzt stimmt das Ergebnis. WRITE (*,*) A C Ausgabe: 1.500000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Explizite Typumwandlung

FORTRAN 77 besitzt auch Funktionen zur expliziten Umwandlung des Datentyps. Diese werden im Kapitel Standardfunktionen näher beschrieben.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP REAL R COMPLEX C R = 2 C = CMPLX(R) WRITE (*,*) C C Ausgabe: ( 2.000000 , 0.000000 ) END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

---

Logische Ausdrücke

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Logische Ausdrücke können zwei Zustände annehmen, wahr oder falsch. Diese werden in FORTRAN 77 durch die Literale .TRUE. oder .FALSE. dargestellt.

Logische Operatoren

Folgende Tabelle enthält alle in FORTRAN 77 bekannte logische Operatoren. Sie sind in der Reihenfolge ihrer Prioritäten absteigend geordnet.

Operator	Kommentar	Mathematische Entsprechung
.NOT. A	logisches NICHT	$\neg A$
A .AND. B	logisches UND	$A\land B$
A .OR. B	logisches ODER	$A\lor B$
A .EQV. B	logische Äquivalenz (XNOR)	${\overline {A\oplus B}}$
A .NEQV. B	logische Antivalenz (XOR)	$A\oplus B$

Wahrheitstafel

A	B	.NOT. A	A .AND. B	A .OR. B	A .EQV. B	A .NEQV. B
.TRUE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.	.TRUE.	.TRUE.	.FALSE.
.TRUE.	.FALSE.	.FALSE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.
.FALSE.	.TRUE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.
.FALSE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP LOGICAL L L = .TRUE. WRITE (*,*) .NOT. L C Ausgabe: F END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP LOGICAL A, B A = .TRUE. B = .FALSE. WRITE (*,*) A .NEQV. B C Ausgabe: T END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

---

Vergleichsausdrücke

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Zum Vergleichen zweier arithmetischer Ausdrücke oder von Strings gibt es in FORTRAN 77 Vergleichsoperatoren. Das Ergebnis eines Vergleichs ist immer logischer Wert (.TRUE. oder .FALSE.).

Vergleichsoperatoren für arithmetische Typen

Operator	Kommentar	Mathematische Entsprechung
A .LT. B	less than (kleiner als)	$A<B$
A .LE. B	less equal (kleiner gleich)	$A\leq B$
A .GT. B	greater than (größer als)	$A>B$
A .GE. B	greater equal (größer gleich)	$A\geq B$
A .EQ. B	equal (gleich)	$A=B$
A .NE. B	not equal (ungleich)	$A\neq B$

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER A, B A = 5 B = 6 WRITE (*,*) A .LT. B C Ausgabe: T END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*5 A, B A = 'Halli' B = 'Hallo' WRITE (*,*) A .LT. B C Ausgabe: T END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beim Rechnen mit Fließkommazahlen (Datentypen: REAL, DOUBLE PRECISION, COMPLEX) sind die systemimmanenten Rechenungenauigkeiten zu beachten. Aus diesem Grund sollten Fließkommazahlen nicht auf strikte (Un)Gleichheit geprüft werden, sondern Vergleiche sollten einen kleinen Toleranzbereich aufweisen: $x\pm \epsilon =y$.

Beispiel (hier mit $\epsilon =0{,}00001$ und $y=2$:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

X = LOG(A) C Statt... IF (X .EQ. 2) C besser IF (ABS(X - 2) .LT. .00001)

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Zeichenkettenvergleiche

Das Ergebnis eines Vergleichs von Zeichenketten mittels Vergleichsoperatoren ist teilweise systemabhängig. Ausnahmen sind .EQ. und .NE.. Systemunabhängige Resultate sind durch Verwendung der entsprechenden lexikalischen Standardfunktionen erhältlich. Dort wird immer die Reihenfolge im ASCII-Zeichensatz verwendet.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP IMPLICIT LOGICAL(A-Z) CHARACTER*15 A, B A = 'Hallö' B = 'hallo' WRITE (*,*) 'A gleich B? ', A .EQ. B WRITE (*,*) 'A kleiner als B (Operator)? ', A .LT. B WRITE (*,*) 'A kleiner als B (Funktion)? ', LLT (A, B) C Ausgabe: C A gleich B? F C A kleiner als B (Operator)? T C A kleiner als B (Funktion)? T END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Operatorenpriorität

1. Klammerung
2. Arithmetische Operatoren
3. Vergleichsoperatoren
4. Logische Operatoren
5. Zuweisungsoperator

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP IMPLICIT LOGICAL(A-Z) REAL A, B, C LOGICAL X, RES A = 5.5 B = -1.2 C = 8.6 X = .FALSE. RES = X .AND. A - B .GT. C .OR. A .LE. C C entspricht infolge Op.priorität: C RES = ((X .AND. ((A-B) .GT. C)) .OR. (A .LE. C)) WRITE (*,*) RES C Ausgabe: T END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Vergleichsoperatoren und logische Operatoren finden in erster Linie bei Verzweigungen und Schleifenbedingungen Verwendung.

---

Stringoperationen

---

FORTRAN 77 bietet vergleichsweise komfortable Operatoren zur Behandlung von Zeichenketten.

Verknüpfungsoperator

Operator	Kommentar
A // B	Operator zum Verknüpfen von Zeichenketten

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*4 A, B*10 A='How ' B='do you do.' WRITE (*,*) A // B C Ausgabe: How do you do. END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Teilketten

Ein String ist ein CHARACTER-Feld. Auch Teilketten einer solchen Zeichenkette können adressiert werden.

Prinzip	Beschreibung
stringname (anfang:ende)	von anfang bis ende
stringname (:ende)	vom ersten Zeichen bis ende
stringname (anfang:)	von anfang bis zum letzten Zeichen
stringname (index:index)	genau ein Zeichen an der Position index

Dabei muss anfang stets größer oder gleich Eins sein. ende darf nicht größer als die Länge der Zeichenkette sein. index muss sich stets zwischen Eins und der Länge der Zeichenkette befinden.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*10 A A='Hallo Welt' WRITE (*,*) A(2:4) C Ausgabe: all WRITE (*,*) A(5:) C Ausgabe: o Welt WRITE (*,*) A(:3) C Ausgabe: Hal END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*10 A A='Hallo Welt' A(7:) = 'XYZ' WRITE (*,*) A C Ausgabe: Hallo XYZ END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Neben diesen Möglichkeiten sind in FORTRAN 77 auch einige Standardfunktionen für das Hantieren mit Zeichenketten vorgesehen. Diese sind im Kapitel Standardfunktionen beschrieben.

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Verzweigungen und Schleifen

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GOTO

GOTO bewirkt einen Sprung zu einer bestimmten Anweisungsnummer.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP GOTO 100 WRITE (*,*) 'Hallo' 100 WRITE (*,*) 'Welt' C Ausgabe: Welt END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

CONTINUE

CONTINUE ermöglicht bei Anweisungsnummern eine „leere“ Anweisung.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP GOTO 100 WRITE (*,*) 'Hallo' 100 CONTINUE C keine Ausgabe END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Bedingtes GOTO

Beim bedingten GOTO ist in Abhängigkeit von einer Integer-Variablen der Sprung zu einer bestimmten Anweisungsnummer möglich.

Beispiel: Eine „Switch“-Verzweigung

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I=2 GOTO (100, 200, 300), I 100 WRITE (*,*) 'Hallo 1' GOTO 1000 200 WRITE (*,*) 'Hallo 2' GOTO 1000 300 WRITE (*,*) 'Hallo 3' 1000 CONTINUE C Ausgabe: Hallo 2 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

IF-Verzweigungen

Der IF-Einzeiler

IF (logischer ausdruck) anweisung

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I=2 IF (I .EQ. 2) WRITE (*,*) 'Hallo' C Ausgabe: Hallo END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

IF-THEN

IF (logischer ausdruck) THEN anweisungsblock END IF

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I=2 IF (I .EQ. 2) THEN WRITE (*,*) 'Hallo' END IF C Ausgabe: Hallo END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

IF-THEN-ELSE

IF (logischer ausdruck) THEN if-anweisungsblock ELSE else-anweisungsblock END IF

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I=333 IF (I .GE. 444) THEN WRITE (*,*) 'Hallo' ELSE WRITE (*,*) 'Hola' END IF C Ausgabe: Hola END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

ELSE-IF

IF (logischer ausdruck 1) THEN if-anweisungsblock 1 ELSE IF (logischerAusdruck 2) THEN if-anweisungsblock 2 ELSE IF (logischerAusdruck n) THEN if-anweisungsblock n ELSE else-anweisungsblock END IF

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I = 2 IF (I .EQ. 1) THEN WRITE (*,*) 'I ist eins' ELSE IF (I .EQ. 2) THEN WRITE (*,*) 'I ist zwei' ELSE WRITE (*,*) 'Ich weiß nicht was I ist' END IF C Ausgabe: I ist zwei END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

DO-Schleifen

Die DO-Schleife (Zählschleife) ist die einzige Schleife die FORTRAN 77 standardmäßig kennt.

DO nr zählvariable = startwert, endwert [, schrittweite] anweisungsblock nr CONTINUE

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I DO 100 I = 1, 10 WRITE (*,*) I 100 CONTINUE C Zeilenweise Ausgabe der Zahlen 1 bis 10 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Weitere Schleifen

Da FORTRAN 77 keine weiteren Schleifen kennt, müssen diese mit Hilfe einer IF-Verzweigung und einem GOTO-Befehl nachgebildet werden. Prominente Beispiele aus anderen Programmiersprachen sind die While-Schleife und die Do-While-Schleife.

While-Schleife (kopfgesteuerte Schleife)

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I=0 10 IF(I .LT. 5) THEN WRITE (*,*) I I = I + 1 GOTO 10 END IF C Die Zahlen 0 bis 4 werden ausgegeben END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Do-While-Schleife (fußgesteuerte Schleife)

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I=6 10 CONTINUE WRITE (*,*) I I = I + 1 IF (I .LT. 5) GOTO 10 C Die Zahl 6 wird ausgegeben END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Implizite Schleife

Bei Eingabe oder Ausgabe ist die Angabe einer impliziten Schleife möglich.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I WRITE (*,*) ('Hallo', I = 1, 10) C Ausgabe: HalloHalloHalloHalloHalloHalloHalloHalloHalloHallo END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

STOP

Die STOP-Anweisung beendet das Programm.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP WRITE (*,*) 'Vor Stop-Statement' STOP WRITE (*,*) 'Nach Stop-Statement' C Ausgabe: Vor Stop-Statement END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

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Standardfunktionen

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In diesem Kapitel werden für die Funktionsargumente und Rückgabewerte nachfolgende Kürzel verwendet, die Aufschluss über die möglichen Datentypen geben.

Kürzel	Datentypen
i	INTEGER
r	REAL
d	DOUBLE PRECISION
x	COMPLEX
c	CHARACTER*n
l	LOGICAL

Datentypumwandlung

Umwandlung in INTEGER

• i = INT(i)

Abschneiden des Nachkommaanteils:

• i = INT(r)
• i = IFIX(r)
• i = IDINT(d)

• i = INT(x)

ASCII-Wert des Zeichens c:

• i = ICHAR(c)

Umwandlung in REAL

• r = REAL(i)
• r = FLOAT(i)
• r = REAL(r)
• r = SNGL(d)
• r = REAL(x)

Umwandlung in DOUBLE

• d = DBLE(i)
• d = DBLE(r)
• d = DBLE(d)
• d = DBLE(x)

Umwandlung in COMPLEX

• x = CMPLX(i)
• x = CMPLX(r)
• x = CMPLX(d)
• x = CMPLX(x)

Umwandlung in CHARACTER

Gibt das Zeichen zum ASCII-Wert i zurück.

• c = CHAR(i)

Mathematische Funktionen

Abschneiden des Nachkommaanteils

Ist das Argument größer Null, wird die nächstkleinere ganze Zahl zurückgegeben. Ist das Argument kleiner Null, wird die nächstgrößere ganze Zahl zurückgegeben.

• r = AINT(r)
• d = DINT(d)

Runden

Ist das Argument größer oder gleich Null, ist der Rückgabewert INT(X+0.5). Ist das Argument kleiner Null, ist der Rückgabewert INT(X-0.5)

• r = ANINT(r)
• d = DNINT(d)
• i = NINT(r)
• i = IDNINT(d)

Absolutwert

• i = IABS(i)
• r = ABS(r)
• d = DABS(d)
• r = CABS(x)

Double Precision-Produkt

Rückgabewert ist r1 × r2 mit Datentyp DOUBLE PRECISION

• d = DPROD(r1, r2)

Modulo

Rückgabewert ist zahl1 - INT(zahl1 /zahl2)*zahl2

• i = MOD(i1, i2)
• r = AMOD(r1, r2)
• d = DMOD(d1, d2)

Vorzeichentransfer

Wenn die zahl2 >= 0 ist, dann wird |zahl1| zurückgegeben. Wenn die zahl2 < 0 ist, dann wird -|zahl1| zurückgegeben.

• i = ISIGN(i1, i2)
• r = SIGN(r1, r2)
• d = DSIGN(d1, d2)

Positive Differenz

Für zahl1 > zahl2 ist der Rückgabewert zahl1 - zahl2. Für zahl1 <= zahl2 wird Null zurückgegeben.

• i = IDIM(i1, i2)
• r = DIM(r1, r2)
• d = DDIM(d1, d2)

Maximum

Gibt den größten Argumentwert zurück.

• i = MAX0(i1, i2, ...)
• r = AMAX1(r1, r2, ...)
• d = DMAX1(d1, d2, ...)
• r = AMAX0(i1, i2, ...)
• i = MAX1(r1, r2, ...)

Minimum

Gibt den kleinsten Argumentwert zurück.

• i = MIN0(i1, i2, ...)
• r = AMIN1(r1, r2, ...)
• d = DMIN1(d1, d2, ...)
• r = AMIN0(i1, i2, ...)
• i = MIN1(r1, r2, ...)

Komplexe Zahlen

Gibt den Imaginärteil zurück:

• r = AIMAG(x)

Gibt die konjugiert komplexe Zahl zurück:

• x = CONJG(x)

Quadratwurzel

Gibt die Quadratwurzel zurück:

• r = SQRT(r)
• d = DSQRT(d)
• x = CSQRT(x)

Exponentialfunktion

Gibt natürliche Exponentialfunktion zurück:

• r = EXP(r)
• d = DEXP(d)
• x = CEXP(x)

Logarithmus naturalis

Gibt den natürlichen Logarithmus zurück:

• r = ALOG(r)
• d = DLOG(d)
• x = CLOG(x)

Dekadischer Logarithmus

Gibt den dekadischen Logarithmus zurück:

• r = ALOG10(r)
• d = DLOG10(d)

Winkelfunktionen

• r = SIN(r)
• d = DSIN(d)
• x = CSIN(x)

• r = COS(r)
• d = DCOS(d)
• x = CCOS(x)

• r = TAN(r)
• d = DTAN(d)

Arkusfunktionen

• r = ASIN(r)
• d = DASIN(d)

• r = ACOS(r)
• d = DACOS(d)

• r = ATAN(r)
• d = DATAN(d)

Gibt $\mathrm {arctan} ({\tfrac {r1}{r2}})$ zurück:

• r = ATAN2(r1, r2)
• d = DATAN2(d1, d2)

Diese Funktionen sind für ähnliche Werte der beiden Argumente erheblich genauer.

Hyperbelfunktionen

• r = SINH(r)
• d = DSINH(d)

• r = COSH(r)
• d = DCOSH(d)

• r = TANH(r)
• d = DTANH(d)

Zeichenketten-Funktionen

Länge

• i = LEN(c)

Index eines Teilstrings

Gibt die erste Position des Auftretens eines Teilstrings c2 in c1 zurück. c2 muss eine (benannte) Konstante sein.

• i = INDEX(c1, c2)

Lexikalische Funktionen

Hier wird unabhängig von der Plattform immer der ASCII-Zeichensatz als Grundlage verwendet.

Lexikalisch größer oder gleich (Rückgabewert ist .TRUE. wenn c1 >= c2):

• l = LGE(c1, c2)

Lexikalisch größer als (Rückgabewert ist .TRUE. wenn c1 > c2):

• l = LGT(c1, c2)

Lexikalisch kleiner oder gleich (Rückgabewert ist .TRUE. wenn c1 <= c2):

• l = LLE(c1, c2)

Lexikalisch kleiner als (Rückgabewert ist .TRUE. wenn c1 < c2):

• l = LLT(c1, c2)

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Obige Funktionenauflistung basiert auf dem Fortran 77 Sprachstandard X3J3/90.4, Kap.15: Functions and Subroutines.

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Unterprogramme

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Natürlich können in FORTRAN 77 auch eigene Unterprogramme erstellt werden.

Funktionsanweisung

Eine Funktionsanweisung (auch Anweisungsfunktion genannt) stellt die einfachste Möglichkeit dar, ein Unterprogramm in FORTRAN 77 zu realisieren. Eine Funktionsanweisung kann nur einen Ausdruck umfassen und gilt nur in der Programmeinheit in der sie definiert wurde.

Definieren einer Funktionsanweisung:

funktionsname([formale parameter]) = ausdruck

Aufruf der Funktion:

[variable =] funktionsname([aktuelle parameter])

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP FUNK() = 5 WRITE (*,*) FUNK () C Ausgabe: 5.000000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP REAL A, B, C FUNK(A, B) = COS(A) * LOG(B) C = FUNK(3.1415, 2.) WRITE (*,*) C C Ausgabe: -0.6931472 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

FUNCTION

Soll eine Funktion mehrere Anweisungen umfassen, so genügt das Konzept der Funktionsanweisung nicht mehr. FORTRAN 77 kennt zu diesem Zweck das Schlüsselwort FUNCTION.

[datentyp] FUNCTION funktionsname([formale parameter]) anweisungen END

Aufgerufen wird eine derartige Funktion gleich wie eine Funktionsanweisung.

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP C Funktionsaufruf WRITE(*,*) FUNK() C Ausgabe: 27.50000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei funk.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

REAL FUNCTION FUNK() REAL TMP DO 10 I = 1,10 TMP = TMP + I*0.5 10 CONTINUE FUNK = TMP END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Übersetzung mit gfortran:

gfortran bsp.f funk.f

Eine Funktion muss einen Wert zurückgeben. Welcher Wert das ist, wird durch eine Zuweisung an den Funktionsnamen erreicht. Wird am Anfang des Funktionskopfes kein Datentyp explizit vorgegeben, so gelten die Regeln für die implizite Datentypvergabe.

Mit Hilfe des Schlüsselwortes RETURN kann eine Funktion auch vor dem Funktionsende verlassen werden.

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP C Funktionsaufruf WRITE(*,*) FUNK(3) C Ausgabe: 1.500000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei funk.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

FUNCTION FUNK(I1) IF(I1 .LE. 5) THEN FUNK = 1.5 RETURN END IF FUNK = SIN(I1*0.5) END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

SUBROUTINE

Eine Subroutine besitzt im Gegensatz zu einer Funktion keinen Datentyp und gibt keinen Wert zurück.

SUBROUTINE subroutinenname([formale parameter]) anweisungen END

Aufruf der Subroutine:

CALL subroutinenname([aktuelle parameter])

Beispiel:

Datei test.f

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CALL SUB END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB WRITE (*,*) 'Hallo Welt!' END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Übersetzung mittels gfortran:

gfortran -c sub.f
gfortran -c test.f
gfortran  test.o sub.o

Anzeige auf der Standardausgabe:

Hallo Welt!

Auch eine Subroutine kann mittels RETURN vorzeitig verlassen werden.

Die aktuellen und formalen Parameter müssen hinsichtlich Datentyp, Anzahl, Reihenfolge übereinstimmen. Alle Namen und Variablen in einer Programmeinheit (Subroutine, Funktion oder Hauptprogramm) sind grundsätzlich nur lokal in der jeweiligen Programmeinheit bekannt. Über die Unterprogrammparameter können aber sehr wohl Werte in der aufrufenden Programmeinheit geändert werden.

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP REAL A = 2.0 CALL SUB(A) WRITE(*,*) A C Ausgabe: 10 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB(X) REAL X REAL A C Unterprogrammparameter X = 10 C lokale Variable A = 500 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Felder als Parameter

Beispiel: Übergabe eines ganzen Feldes

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER FELD(3,3) INTEGER CNT CNT = 1 DO 10 I = 1, 3 DO 20 J = 1, 3 FELD(J,I) = CNT CNT = 1 + CNT 20 CONTINUE 10 CONTINUE C Unterprogrammaufruf CALL SUB(FELD) C Ausgabe: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB(ARR) INTEGER ARR(3, 3) WRITE(*,*) ARR END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel: Übergabe einer Feld-Teilkette

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER FELD(3,3) INTEGER CNT CNT = 1 DO 10 I = 1, 3 DO 20 J = 1, 3 FELD(J,I) = CNT CNT = 1 + CNT 20 CONTINUE 10 CONTINUE C Unterprogrammaufruf CALL SUB(FELD(1:2,2:3)) C Ausgabe: 4 5 7 8 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB(ARR) INTEGER ARR(0:1, 0:1) WRITE(*,*) ARR END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel: Übergabe eines Feld-Einzelelements

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER FELD(3,3) INTEGER CNT CNT = 1 DO 10 I = 1, 3 DO 20 J = 1, 3 FELD(J,I) = CNT CNT = 1 + CNT 20 CONTINUE 10 CONTINUE C Unterprogrammaufruf CALL SUB(FELD(1,2)) C Ausgabe: 4 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB(ARR) INTEGER ARR WRITE(*,*) ARR END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Prozeduren als Parameter

Auch Prozeduren können als Parameter übergeben werden.

Standardfunktionen werden dazu folgendermaßen im Vereinbarungsteil gekennzeichnet:

Aufruf der Subroutine:

INTRINSIC namensliste

Eigene Funktionen oder Subroutinen mit:

EXTERNAL namensliste

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP REAL PI PARAMETER(PI=3.1415927) C intrinsic functions INTRINSIC SIN, COS C Unterprogrammaufrufe CALL SUB(SIN, PI) C Ausgabe: 0.000000 CALL SUB(COS, PI) C Ausgabe: -1.000000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB(FUNK, X) REAL FUNK, X WRITE(*,*) NINT(FUNK(X)*1000)/1000.0 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

COMMON

Mit COMMON läßt sich ein gemeinsamer Datenbereich für mehrere Programmeinheiten realisieren.

Unbenannter COMMON:

COMMON variablenliste

COMMON /name/ variablenliste

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP REAL A, B, C, D COMMON A, B, C COMMON /C1/ D A = 4.0 B = 5.0 C = 6.0 CALL SUB WRITE (*,*) A, B, C, D C Ausgabe: 3.330000 4.440000 6.000000 5.550000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB REAL X, Y, Z COMMON X, Y COMMON /C1/ Z X = 3.33 Y = 4.44 Z = 5.55 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

ENTRY

Mittels ENTRY kann gezielt in ein Unterprogamm gesprungen werden. Dieses Konstrukt widerspricht aber einer strukturierten Programmierung und sollte nicht verwendet werden.

ENTRY entryname[([formale parameter])]

Der Aufruf entspricht dem einer Subroutine:

CALL entryname[([aktuelle parameter])]

Beispiel:

Datei bsp.f

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CALL SUB C Ausgabe: Hallo C Welt! CALL E1 C Ausgabe: Welt! END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB WRITE(*,*) 'Hallo' ENTRY E1 WRITE (*,*) 'Welt!' END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

SAVE

Durch ein SAVE-Statement in Unterprogrammen behalten die lokalen Variablen ihren jeweiligen Wert auch nach Verlassen des Unterprogrammes. Dieses Konstrukt ist meist nicht notwendig, da die meisten FORTRAN-Compiler dieses Verhalten ohnehin automatisch aufweisen (siehe auch Kapitel DATA zwecks Initialisierung von Variablen).

SAVE [variablenliste]

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CALL SUB C Ausgabe: 1.000000 CALL SUB C Ausgabe: 2.000000 CALL SUB C Ausgabe: 3.000000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB REAL A SAVE A = A + 1 WRITE(*,*) A END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

DATA

DATA dient zur Wertinitialisierung von Variablen vor der Programmeinheitausführung. Diese Anweisung ist also nicht gleichzusetzen mit einer Wertzuweisung.

Beispiel:

DATA [variablenliste] /variablenwerte/

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CALL SUB C Ausgabe: 1.000000 CALL SUB C Ausgabe: 2.000000 CALL SUB C Ausgabe: 3.000000 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei sub.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

SUBROUTINE SUB REAL A DATA A /0.0/ A = A + 1 WRITE(*,*) A END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Unterschied zwischen Wertinitialisierung und Wertzuweisung:

	Wertinitialisierung	Wertzuweisung
Code	PROGRAM BSP CALL SUB CALL SUB CALL SUB END SUBROUTINE SUB REAL A DATA A /3.0/ A = A + 1 WRITE(*,*) A END	PROGRAM BSP CALL SUB CALL SUB CALL SUB END SUBROUTINE SUB REAL A A = 3.0 A = A + 1 WRITE(*,*) A END
Ausgabe	4.000000 5.000000 6.000000	4.000000 4.000000 4.000000

---

Ein- und Ausgabe

---

READ

Die READ-Anweisung dient dem Einlesen von Daten. Typisches Beispiel ist die Dateneingabe mittels Tastatur. Formal sieht eine READ-Anweisung so aus:

READ([UNIT=]unit, [FMT=]fmt [, ERR=err] [, END=end] [, IOSTAT=iostat]) [eingabeliste]

• unit ... Nummer der Eingabeeinheit (ist systemabhängig), Sternoperator oder auch die einer Datei mittels OPEN-Anweisung zugeordnete Nummer.
• fmt ... Anweisungsnummer zu einer FORMAT-Anweisung oder Sternoperator
• err ... Tritt während der Eingabe ein Fehler auf, so wird zu dieser Anweisungsnummer gesprungen
• end ... Nach dem Einlesen des letzten Datensatzes wird zu dieser Anweisungsnummer gesprungen
• iostat ... READ-Status

Listengesteuerte Eingabe auf der Standardeingabe (normalerweise die Tastatur):

READ (*,*) A, B, C

Alternativ kann das auch so geschrieben werden:

READ (UNIT=*, FMT=*) A, B, C

Beim Intel Fortran Compiler, gfortran und g95 ist auch UNIT = 5 als stdin (Tastatur) vorbelegt. Das Einlesen aus Dateien und die Einstellung des Formates werden später erläutert.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I(5) C Einlesen in ein Feld (UNIT ... Standardeingabe, FMT ... listengesteuert) READ (*,*) I C ... END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Kurze Erläuterung zu IOSTAT:

Wert	Erläuterung
0	kein Fehler
positiver Wert (systemabhängig)	Fehler
negativer Wert (systemabhängig)	End Of File und kein Fehler

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I INTEGER ST C Einlesen eines Wertes READ (*, *, IOSTAT=ST) I C Ausgabe des IO-Status WRITE (*,*) 'IO-Status:', ST END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Ausgabe:

Für Eingabe: 5 → 0

Für Eingabe: 5.3 → Positiver Wert = Fehler

WRITE

Die WRITE-Anweisung dient der Datenausgabe. Typisches Beispiel ist die Anzeige von Daten auf dem Bildschirm. Formal sieht eine WRITE-Anweisung so aus:

WRITE([UNIT=]unit, [FMT=]fmt [, ERR=err] [, IOSTAT=iostat]) [ausgabeliste]

• unit ... Nummer der Ausgabeeinheit (ist systemabhängig), Sternoperator oder auch die einer Datei mittels OPEN-Anweisung zugeordnete Nummer.
• fmt ... Anweisungsnummer zu einer FORMAT-Anweisung oder Sternoperator
• err ... Tritt während der Ausgabe ein Fehler auf, so wird zu dieser Anweisungsnummer gesprungen
• iostat ... WRITE-Status

Listengesteuerte Ausgabe auf der Standardausgabe (normalerweise der Bildschirm):

WRITE (*,*) A, B, C

Alternativ kann das auch so geschrieben werden:

WRITE (UNIT=*, FMT=*) A, B, C

Beim Intel Fortran Compiler, gfortran und g95 sind auch

• unit=0 als stderr (Bildschirm) und
• unit=6 als stdout (Bildschirm)

vorbelegt. Bezüglich IOSTAT gilt auch hier der im vorigen Abschnitt kurz geschilderte Sachverhalt. Die Ausgabe in Dateien und die Einstellung des Formates werden nachfolgend erläutert.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I(5) C I(1) = ... C ... C Ausgabe der Feldwerte (UNIT ... Standardausgabe, FMT ... listengesteuert) WRITE (*,*) I C ... END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Formatierung

Die Ein- und Ausgabeformatierung kann beeinflusst werden. Zu diesem Zweck gibt es die FORMAT-Anweisung.

... (..., FMT = marke, ...) ... marke FORMAT (formatliste)

Alternativ dazu kann auch direkt bei der FMT-Option die Formatliste bekanntgemacht werden.

... (..., FMT = '(formatliste)', ...) ...

Formatlistenelemente

Formatspezifizierer	Kommentar
Ix[.z]	Ganzzahl mit einer Feldlänge von x Zeichen. z gibt die Mindestanzahl der auszugebenden Zeichen an (Feld wird, wenn nötig, mit führenden Nullen aufgefüllt).
Fx.y	Fixkommazahl mit einer Gesamtfeldlänge von x Zeichen. y ist die Anzahl der Nachkommastellen (Vorzeichen und Dezimalpunkt müssen in der Gesamtfeldlänge berücksichtigt werden).
Ex.y	Gleitkommazahl mit einer Gesamtfeldlänge von x Zeichen. y ist die Anzahl der Nachkommastellen. (Vorzeichen, Dezimalpunkt und die Zeichen für den Exponenten müssen in der Gesamtfeldlänge berücksichtigt werden).
Dx.y	-"-
A	Ein Zeichenkette.
Ax	Eine Zeichenkette mit x Zeichen.
Lx	Ein logischer Wert, T bzw. F
xX	x Leerzeichen.

Obige Tabelle der Formatlistenelemente ist nicht vollständig. Fortran kennt noch weitere Formatierungsmöglichkeiten. Die Ausgabe erfolgt normalerweise rechtsbündig. Reicht die Gesamtfeldlänge bei numerischen Werten nicht aus, so werden anstelle einer Zahl Sternchen angezeigt.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER A A = 999 WRITE (*, 3333) A C Ausgabe: 999 A = -999 WRITE (*, 3333) A C Ausgabe: *** 3333 FORMAT (I3) END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Weitere Formatierungsbeispiele:

Code	Ausgabe
WRITE(*, 999) 1234 WRITE(*, 999) 1234567 WRITE(*, 999) 1234567890 999 FORMAT(I9.6)	001234 1234567 *********
WRITE(*, 999) 555.6666 WRITE(*, 999) +5.6 WRITE(*, 999) -55.666E7 WRITE(*, 999) -55555.666 999 FORMAT(F9.3)	555.667 5.600 ********* *********
WRITE(*, 999) 555.6666 WRITE(*, 999) +5.6 WRITE(*, 999) -55.666E7 WRITE(*, 999) -55555.666 999 FORMAT(E9.3)	0.556E+03 0.560E+01 -.557E+09 -.556E+05
WRITE(*, 999) 'Hallo' WRITE(*, 999) 'ABCDEFGHIJKL' WRITE(*, 888) 'ABCDEFGHIJKL' 888 FORMAT(A) 999 FORMAT(A10)	Hallo ABCDEFGHIJ ABCDEFGHIJKL
WRITE(*, *) 'FORTRAN', '77' WRITE(*, 999) 'FORTRAN', '77' 999 FORMAT(A, 1X, A)	FORTRAN77 FORTRAN 77
WRITE(*, 888) 'FORTRAN', '77' WRITE(*, 999) 'FORTRAN', '77' 888 FORMAT(A, T3, A) 999 FORMAT(A, T20, A)	FO77RAN FORTRAN 77
WRITE(*, 999) 'FORTRAN', '77' 999 FORMAT(A, /, A)	FORTRAN 77
WRITE(*, 999) 34.56 WRITE(*, *) 34.56 C SP ... Sign Plus (+) 999 FORMAT(SP, F12.3)	+34.560 34.56

Wiederholung von Formatteilen

Beispiel:

      WRITE (*, 100) 'abc', 10.3, 'xxx', 23.4
 100  FORMAT (2(A3, F6.1))

WRITE etwas anders

Beispiel:

      WRITE (*, 100) 
 100  FORMAT ('Hallo', 1X, 'Welt!')

Dateien

Datensatz

Datensätze können in folgender Form auftreten:

• Formatierter Datensatz: Textdatensatz
• Unformatierter Datensatz: Datensatz in einer maschineninternen Form.
• Dateiendesatz

Datei

Für FORTRAN 77 ist alles eine Datei, das durch READ oder WRITE bearbeitbar ist.

Zugriffsmethoden:

• Sequentieller Zugriff: Lesen ab Beginn der Datei (file) und dann immer den nächsten Datensatz einlesen. Geschrieben wird jeweils ans Dateiende. Auf interne Dateien kann nur sequentiell zugegriffen werden.
• Direkter Zugriff: Bearbeiten in beliebiger Reihenfolge durch Angabe der Satznummer.

Dateitypen:

• Externe Datei: Eine konventionelle Datei
• Interne Datei: CHARACTER-Variable oder -Feld.

Dateien haben im Betriebssystem einen Dateinamen. In FORTRAN wird eine Datei über eine Dateinummer (unit) angesprochen. Die Zuordnung erfolgt mit dem Befehl OPEN.

OPEN

Zum Öffnen einer externen Datei dient die OPEN -Anweisung.

OPEN (liste)

mit folgender liste

Element	Kommentar
[UNIT =] x	x ist eine Dateinummer (0 bis 99)
FILE = x	x ist der externe Dateiname
IOSTAT = x	x ist 0 wenn OPEN fehlerfrei ausgeführt wurde, ansonsten eine systemabhängige Fehlernummer
ERR = x	Bei Fehler Sprung zur Anweisungsnummer x
STATUS = x	Dateistatus: 'OLD' ... Datei existiert bereits 'NEW' ... Datei wird neu erzeugt 'REPLACE' ... Wenn die Datei existiert, wird sie überschrieben, ansonsten neu erzeugt. 'SCRATCH' ... namenlose temporäre Datei 'UNKNOWN' ... System bestimmt Dateistatus selbst
ACCESS = x	Zugriffsmethode: 'SEQUENTIAL' ... Sequentielle Datei 'DIRECT' ... direkter Zugriff
FORM = x	Format: 'FORMATTED' oder 'UNFORMATTED'
RECL = x	Datensatzlänge (positive Zahl, ACCESS='DIRECT', in Bytes bzw. bei formatierten Dateien in Characters)
BLANK = x	'NULL' (ignorieren von Leerzeichen bei numerischen Werten) oder 'ZERO' (Leerzeichen bei numerischen Werten als 0 interpretieren)

Eingestellte Vorgabewerte sind:

• STATUS = 'UNKNOWN'
• ACCESS = 'SEQUENTIAL'
• FORM = 'FORMATTED'
• BLANK = 'NULL'

Wird ACCESS='DIRECT' gesetzt, so gilt FORM='UNFORMATTED' als Vorgabewert.

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP OPEN (20, FILE='/tmp/testdatei.txt', STATUS='OLD', ERR=222) WRITE (*,*) 'Voller Erfolg' CLOSE(20) GOTO 333 222 WRITE(*,*) 'Fehler beim Öffnen der Datei' 333 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

CLOSE

Geschlossen wird die Verbindung zur externen Datei mit dem CLOSE-Befehl.

CLOSE (liste)

liste:

Element	Kommentar
[UNIT =] x	wie bei OPEN
IOSTAT = x	wie bei OPEN
ERR = x	wie bei OPEN
STATUS = x	KEEP ... Datei erhalten DELETE ... Datei löschen

Lesen und Schreiben

Aus Dateien gelesen oder in Dateien geschrieben wird mit den bereits bekannten READ- und WRITE-Anweisungen.

Element	Kommentar
[UNIT =] x	Unit 0 bis 99 bzw. CHARACTER-Variable oder Feld (interne Datei)
[FMT =] x	siehe Formatierung
REC = x	Datensatznummer bei Direktzugriff (siehe Abschnitt Direktzugriff)
IOSTAT = x	wie bei READ
ERR = x	Bei Fehler Sprung zur Anweisungsnummer x
END = x	Bei Dateiende Sprung zur Anweisungsnummer x (nicht erlaubt bei Direktzugriff)

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*80 A OPEN (20, FILE='/tmp/testdatei.txt', STATUS='OLD', ERR=222) 10 CONTINUE C Aus Datei lesen READ (20, 888, END=20) A C Auf Standardausgabe schreiben WRITE (*,*) A GOTO 10 20 CLOSE(20) GOTO 333 222 WRITE(*,*) 'Fehler beim Öffnen der Datei' 888 FORMAT(A) 333 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Direktzugriff

OPEN:

Element	Kommentar
ACCESS = x	x ... 'DIRECT'
RECL = x	x ... Datensatzlänge (positive Zahl, ACCESS='DIRECT', in Bytes bzw. bei formatierten Dateien in Characters)

READ/WRITE:

Element	Kommentar
REC = x	x ... Satznummer bei Direktzugriff

Beispiel: Gegeben ist die Textdatei /tmp/testdatei.txt mit dem Inhalt

Die WRITE-Anweisung dient der Datenausgabe aus einem FORTRAN-Programm auf ein 
externes Gerät. Typisches Beispiel ist die Anzeige von Daten auf dem Bildschirm. 
Formal sieht eine WRITE-Anweisung so aus:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*10 C OPEN (20, FILE='/tmp/testdatei.txt', & STATUS='OLD', & ACCESS='DIRECT', & RECL=10, & ERR=222) READ (20, REC=4, ERR=333) C WRITE (*,*) C READ (20, REC=25, ERR=333) C WRITE (*,*) C CLOSE (20) GOTO 444 222 WRITE (*,*) 'Fehler beim Öffnen der Datei' 333 WRITE (*,*) 'Fehler beim Lesen des Datensatzes' 444 CONTINUE END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Ausgabe:

Datenausga
Fehler beim Lesen des Datensatzes

Positionieren bei sequentiellen Dateien

Datensatzzeiger um einen Datensatz zurücksetzen:

BACKSPACE ([UNIT=]x [,IOSTAT=y] [,ERR=z])

Positionieren an den Dateibeginn:

REWIND ([UNIT=]x [,IOSTAT=y] [,ERR=z])

Schreiben eines Dateiendsatzes:

ENDFILE ([UNIT=]x [,IOSTAT=y] [,ERR=z])

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*100 C(3) OPEN (20, FILE='/tmp/testx.txt', & STATUS='NEW', & ERR=222) WRITE (20,*) 'Das ist eine Testdatei' WRITE (20,*) 'Dies ist Zeile 2 der Testdatei' WRITE (20,*) 'Jenes die Zeile 3 der Testdatei' WRITE (20,*) 'Jetzt ist''s aber genug' ENDFILE (20, ERR=444) REWIND (20, ERR=444) READ (20, FMT=555, ERR=333) C WRITE (*, FMT=555) C BACKSPACE (20, ERR=444) READ (20, FMT=555, ERR=333) C(1) WRITE (*, FMT=555) C(1) GOTO 999 222 WRITE (*,*) 'Fehler beim Öffnen der Datei' GOTO 999 333 WRITE (*,*) 'Fehler beim Lesen des Datensatzes' GOTO 999 444 WRITE (*,*) 'Sonstiger Fehler' GOTO 999 555 FORMAT (A) 999 CLOSE (20) C Ausgabe: C Das ist eine Testdatei C Dies ist Zeile 2 der Testdatei C Jenes die Zeile 3 der Testdatei C Jenes die Zeile 3 der Testdatei END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

INQUIRE

Die Anweisung INQUIRE dient der Abfrage einiger Eigenschaften von Dateien oder I/O-Units.

INQUIRE (FILE = x, liste)

mit x ... Dateiname (inkl. Pfad)

INQUIRE ([UNIT =] x, liste)

mit x ... Nummer der I/O-Unit.

liste:

Element	Kommentar
ACCESS = x	x: 'SEQ' ... sequentieller Dateizugriff 'DIRECT' ... Direktzugriff
BLANK = x	x: 'NULL' 'ZERO'
DIRECT = x	x: 'YES' ... Direktzugriff 'NO' ... kein Direktzugriff für diese Datei erlaubt 'UNKNOWN' ... unbekannt
ERR = x	Bei Fehler Sprung zur Anweisungsnummer x
EXIST = x	x: .TRUE. ... Datei existiert .FALSE. ... Datei existiert nicht
FORM = x	x: 'FORMATTED' ... Datei geöffnet für formatierte Datensätze 'UNFORMATED' ... Datei geöffnet für unformatierte Datensätze
FORMATTED = x	'YES' ... formatierte Datensätze sind erlaubt 'NO' ... formatierte Datensätze sind nicht erlaubt 'UNKNOWN' ... unbekannt
IOSTAT = x	x ist 0 wenn INQUIRE fehlerfrei ausgeführt wurde, ansonsten eine systemabhängige positive Fehlernummer
NAME = x	Der Dateiname wird der Zeichenketten-Variablen x zugewiesen. Hat die Datei keinen Namen, dann ist das Ergebnis undefiniert.
NAMED = x	x: .TRUE. ... Datei besitzt Namen .FALSE. ... Datei besitzt keinen Namen
NEXTREC = x	x ... Nummer des nächsten Datensatzes
NUMBER = x	x ... Nummer der mit einer externen Datei verbundenen I/O-Unit.
OPENED = x	x: .TRUE. ... Datei ist geöffnet .FALSE. ... Datei ist nicht geöffnet
RECL = x	x ... Datensatzlänge bei Direktzugriff
SEQUENTIAL = x	x: 'YES' ... sequentiell 'NO' ... nicht sequentiell 'UNKNOWN' ... unbekannt
UNFORMATTED = x	'YES' ... unformatierte Datensätze sind erlaubt 'NO' ... unformatierte Datensätze sind nicht erlaubt 'UNKNOWN' ... unbekannt

Beispiel: Datei vorhanden?

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP LOGICAL L INQUIRE (FILE='/tmp/testdatei.txt', EXIST=L, ERR=222) WRITE (*,*) L C Ausgabe: C wenn Datei existiert: T C wenn Datei nicht existiert: F GOTO 999 222 WRITE (*,*) 'Fehler!' 999 CONTINUE END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel: Infos zu einer geöffneten Datei

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP LOGICAL EX CHARACTER*15, DI, FO, AC, SE INTEGER NU OPEN (25, FILE='/tmp/testdatei.txt', STATUS='OLD', ERR=222) INQUIRE (25, EXIST = EX, & DIRECT = DI, & SEQUENTIAL = SE, & FORMATTED = FO, & ACCESS = AC, & NUMBER = NU, & ERR=222) WRITE (*,*) 'EXIST? ', EX WRITE (*,*) 'DIRECT? ', DI WRITE (*,*) 'SEQUENTIAL? ', SE WRITE (*,*) 'FORMATTED? ', FO WRITE (*,*) 'ACCESS? ', AC WRITE (*,*) 'NUMBER? ', NU C Ausgabe, z.B. C EXIST? T C DIRECT? YES C SEQUENTIAL? YES C FORMATTED? YES C ACCESS? SEQUENTIAL C NUMBER? 25 GOTO 999 222 WRITE (*,*) 'Fehler!' 999 CLOSE (25) END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Interne Dateien

• Interne Dateien sind vom Datentyp CHARACTER (Zeichen oder Zeichenketten)
• Das Lesen aus bzw. das Schreiben in interne Dateien erfolgt immer sequentiell

Beispiel: Schreiben in eine interne Datei

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*15 CH REAL R R = 12.5678 C Interne Datei "CH" WRITE (CH, *) R WRITE (*,*) 'R lexikalisch groesser als Buchstabe "A"? ', & LGE(CH, 'A') END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Beispiel: Lesen aus einer internen Datei

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*15 CH REAL R CH = '12.5678' C Interne Datei "CH" READ (CH, '(F15.5)') R WRITE (*,*) 'R = ', R WRITE (*,*) 'R**2 = ', R**2 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

---

Anhang

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PAUSE

Die PAUSE-Anweisung unterbricht die Programmausführung. Diese Anweisung wurde mit dem Fortran 90/95-Standard aus dem Fortran-Sprachumfang verbannt. Moderne Compiler geben deshalb teilweise bei Verwendung dieser Anweisung eine Warnmeldung (obsolete o.ä.) aus. Das Verfahren zur normalen Fortsetzung des infolge PAUSE-Anweisung angehaltenen Programmes ist compilerabhängig, z. B.:

• gfortran und g77: go RETURN
• g95: RETURN
• Intel Fortran Compiler 9.0: continue RETURN

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP WRITE (*,*) 'Hallo ' PAUSE WRITE (*,*) 'Welt!' END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Ausgabe bei Compilierung mit gfortran:

 Hallo
PAUSE
To resume execution, type go.  Other input will terminate the job.

Ausgabe bei Compilierung mit g95:

 Hallo
PAUSE statement executed.  Hit Return to continue

Ausgabe bei Compilierung mit ifort:

 Hallo
FORTRAN PAUSE
PAUSE prompt>

INCLUDE

INCLUDE ermöglicht das Einbinden einer Datei. INCLUDE ist nicht explizit im FORTRAN 77-Standard angeführt, sondern wurde 1978 als Erweiterung des FORTRAN-Standards vom US-amerikanischen DoD im MilStd 1753 festgelegt (siehe auch Abschnitt MilStd 1753).

Beispiel:

Datei bsp.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INCLUDE 'inc.f' WRITE(*,*) 'Fläche ist', 10**2*PI, 'cm2' C Ausgabe: Fläche ist 314.1593 cm2 END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Datei inc.f:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

REAL PI PARAMETER(PI=3.141593)

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Hollerith-Konstanten

Eine veraltete Möglichkeit Zeichenketten anzugeben stellen die Hollerith-Konstanten dar. Eine Hollerith-Konstante besteht aus

1. Einer positiven Ganzzahl, welche die Zeichenkettenlänge angibt
2. Dem Buchstaben H
3. Der Zeichenkette

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP CHARACTER*5 C DATA C /5HUralt/ WRITE (*,*) C C Ausgabe: Uralt END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

Arithmetisches IF

Schon in grauer Vorzeit fanden Programmierer arithmetische IF-Anweisungen sehr unterhaltsam, weil damit der Programmcode interessanter gestaltet werden konnte (Quelle: Ed Post - Real Programmers Don't Use PASCAL). Diese Aussage ist begreiflicherweise auch heute noch uneingeschränkt gültig.

IF(ausdruck) ziel1, ziel2, ziel3

mit

ausdruck	springe zu
< 0	ziel1
= 0	ziel2
> 0	ziel3

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER I I = -55 IF(I) 100, 200, 300 GOTO 999 100 WRITE(*,*) "Negative Zahl" C Ausgabe: Negative Zahl GOTO 999 200 WRITE(*,*) "Null" GOTO 999 300 WRITE(*,*) "Positive Zahl" 999 CONTINUE END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

ASSIGN und Assigned GOTO

Noch wesentlich amüsanter als bei der unachtsamen Verwendung des arithmetischen IF können die Ergebnisse durch Verwendung von Assign-Anweisungen ausfallen.

ASSIGN weist eine Zielmarke einer INTEGER-Variablen zu:

ASSIGN zielmarke TO variable

Verwendung finden kann dies neben anderem beim Assigned GOTO:

GOTO variable (liste)

Beispiel:

0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890

PROGRAM BSP INTEGER VAR C ... ASSIGN 200 TO VAR C ... C ... C ... GOTO VAR (100, 200, 300) 100 WRITE(*,*) "Negative Zahl" GOTO 999 200 WRITE(*,*) "Null" C Ausgabe: Null GOTO 999 300 WRITE(*,*) "Positive Zahl" 999 CONTINUE END

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 0 . | 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 | . 8

MilStd 1753, DoD Supplement To American National Standard X3.9-1978

Nachfolgend stichwortartig die vom amerikanischen Department of Defense im Jahr 1978 ergänzend zu FORTRAN 77 geforderten Spracheigenschaften

• END DO (gelabelt, für DO-Schleifen)
• DO WHILE-Schleife
• INCLUDE
• IMPLICIT NONE
• Manipulation von Bitfeldern (IOR, IAND,ISHFT, ...)
• READ/WRITE-Verhalten nach EOF.

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Programmaufbau

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Beispiel: Hallo Welt

Fortran 90/95-Code (free source form)

program hallo  ! Das typische "Hallo Welt"-Programm write( *, * ) 'Hallo Welt!' end program hallo

Dieses Programm besteht aus den gleichen Anweisungen wie ein entsprechendes FORTRAN 77-Programm und wurde in der sogenannten "free source form" verfasst. Aus diesem Grund ist die erste Spalte nicht mehr dem Kommentarzeichen vorbehalten. Kommentare werden hier durch ein Rufzeichen eingeleitet. Alles rechts vom Rufzeichen wird als Kommentar behandelt. Ein Kommentar kann also auch nach einer Anweisung stehen. Im Gegensatz zu einem FORTRAN 77-Programm wird in Fortran 90/95 oft die Kleinschreibung bevorzugt. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, da die Fortran-Compiler case-insensitiv sind. D.h. sie unterscheiden nicht zwischen Groß- und Kleinschreibung. Eine Einrückung von Blöcken ist nicht zwingend erforderlich, fördert aber die Übersichtlichkeit des Programmcodes.

Die Anweisung in der ersten Zeile kennzeichnet die Programmeinheit als Hauptprogramm und gibt ihr die Bezeichnung hallo. Es folgt eine Kommentarzeile. Dann folgt die Anweisung, einen String auf die Standardausgabe zu schreiben. Und schließlich signalisiert die end-Anweisung das Programmende.

Das Zeilenformat

Fortran 90/95 bietet zwei verschiedene Programmaufbaumöglichkeiten:

• free source form
• fixed source form

Die "free source form" ist neu in Fortran 90/95. Sie bietet die Möglichkeit Programme ohne fixe Spaltenzuordnung zu schreiben, wie dies auch in den meisten anderen gebräuchlichen Programmiersprachen üblich ist. Zusätzlich ist in Fortran 90/95 aus Kompatibilitätsgründen auch das alte FORTRAN 77-Zeilenformat (fixed source form) enthalten. Dieses sollte in neuen Programmen aber nicht mehr verwendet werden.

Normalerweise gilt, dass jede Fortran-Anweisung in einer eigenen Zeile steht. Bei Verwendung der "free source form" gelten folgende Bedingungen. Eine Zeile darf maximal 132 Zeichen lang sein. Als Zeilenumbruchzeichen dient das Kaufmanns-Und (&). Das Kaufmanns-Und steht in diesem Fall immer am Ende der fortzuführenden Zeile, optional auch zusätzlich am Beginn der Fortsetzungszeile. Standardmäßig sind maximal 40 Fortsetzungszeilen erlaubt.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp  ! Leerzeilen werden vom Compiler ignoriert  ! Vereinbarungsteil implicit none  ! implizite Datentypvereinbarung ausschalten integer  :: a, b, c  ! Variablendeklaration (Ganzzahlen) character(25) :: str  ! Variablendeklaration (String mit einer Länge von 25 Zeichen)  ! Aktionsteil a = 5 b = 7 c = a + &  ! und jetzt kommt eine Fortsetzungszeile b write( *, * ) c  ! auch Strings oder Schlüsselwörter können auf der nächsten Zeile fortgesetzt werden.  ! Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass die Fortsetzungszeile auch mit einem  ! Kaufmanns-Und eingeleitet wird, da ansonsten einige Compiler Fehlermeldungen liefern str = "Hal& &lo Welt!" wr& &ite( *, * ) str ! Ausgabe: ! 12 ! Hallo Welt! end program bsp

Mehrere Anweisungen können in eine Zeile geschrieben werden, wenn eine Trennung durch jeweils ein Semikolon erfolgt.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: a, b, c a = 5; b = 7; c = a + b write( *, * ) c ! Ausgabe: ! 12 end program bsp

Die Programmstruktur für das Hauptprogramm

Ein Hauptprogramm weist in einfachster Darstellung immer folgende Struktur auf:

1. program Name
2. Vereinbarungsteil
3. Aktionsteil
4. end [program [Name]]

Die in eckigen Klammern angegebenen Bestandteile sind optional. Sie sollten dennoch stets mit angegeben werden. Genau eine end-Anweisung (mit oder ohne optionale Bestandteile) ist obligatorisch. Bei Hauptprogramm und Unterprogrammen ist end eine ausführbare Anweisung. Ein Fortran-Programm darf genau ein Hauptprogramm enthalten, es ist der Startbereich für die Programmausführung.

Der Fortran-Zeichenvorrat

Fortran 95-Programme bestehen standardmäßig aus folgenden Zeichen:

• Großbuchstaben: A bis Z
• Kleinbuchstaben: a bis z
• Ziffern: 0 bis 9
• Den 13 FORTRAN 77-Sonderzeichen: + - * / = ( ) : , . ' $ und dem Leerzeichen
• Unterstrich (Underscore): _
• Weitere Sonderzeichen: ! ? " & ; < >

Ein Fortran 90/95-Compiler ist case-insensitiv: er unterscheidet nicht zwischen Groß- und Kleinbuchstaben. Stringkonstanten können natürlich alle ASCII-Zeichen beinhalten.

Symbolische Namen

Standardmäßig dürfen symbolische Namen maximal 31 Zeichen lang sein. Das erste Zeichen muss immer ein Buchstabe sein. Anschließend sind alphanumerische Zeichen (Buchstabe oder Ziffer) und Unterstriche erlaubt. Im Gegensatz zu FORTRAN 77 dürfen nun keine Leerzeichen innerhalb eines symbolischen Namens auftreten.

Reservierte Schlüsselwörter?

Im Fortran 95-Standard ist zwar die Rede von Schlüsselwörtern (statement keywords), wie z.B. if, do, real, write. Allerdings wird eindeutig darauf hingewiesen, dass diese nicht reserviert sind. Das heißt, solche Schlüsselwörter können auch für eigene Bezeichner verwendet werden.

Beispiel: Folgender Programmcode ist in Fortran 90/95 gültig, aber nicht empfehlenswert

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: integer, write, if integer = 6 write = 5 if = 1 write( *, * ) integer + write + if end program bsp

Details zur Anordnungsreihenfolge von Anweisungen

Fortran schreibt eine gewisse Anordnungsstruktur der einzelnen Programmelemente vor. So ist das folgende Programm

Fortran 90/95-Code (free source form)

program hallo write( *, * ) "Hallo Welt" implicit none end program hallo

nicht standardkonform, da die implicit none-Vereinbarung nicht nach einer ausführbaren Anweisung folgen darf. So müsste es richtig lauten

Fortran 90/95-Code (free source form)

program hallo implicit none write( *, * ) "Hallo Welt" end program hallo

Im Fortran 90/95-Standard ist genau festgelegt wann bestimmte Programmelemente auftreten dürfen. Prinzipiell gilt, dass Vereinbarungs-Anweisungen (nichtausführbare Anweisungen) vor Aktions-Anweisungen (ausführbaren Anweisungen) stehen. Doch es gibt Ausnahmen, z.B. darf die nichtexekutierbare format-Anweisung auch zwischen oder nach ausführbaren Anweisungen stehen. Eindeutig ist Folgendes geregelt. Die Programmeinheit beginnt mit dem charakteristischen Schlüsselwort, z.B. function. Werden Module eingebunden (use ...), so erfolgt dies vor jeder anderen Vereinbarung oder ausführbaren Anweisung. Danach folgt ein "Mischbereich" (im Fortran-Standard wird das natürlich nicht "Mischbereich" genannt). Vor dem end-Statement darf ein contains-Abschnitt mit Unterprogrammen stehen.

Fortran 90/95-Code (free source form)

program (, function, subroutine, ...) ... use ...  ! Hier folgt nun der so genannte "Mischbereich" contains interne Unterprogramme oder Modul-Unterprogramme end ...

Im "Mischbereich" ist die Anordnung einzelner Elemente zwar auch im Standard geregelt, jedoch gibt es Elemente die an jeder Stelle des Mischbereichs auftreten dürfen, bei anderen ist wiederum klar festgelegt , dass sie nur nach oder vor anderen Elementen auftreten dürfen. Hier soll deshalb nur eine vereinfachte Variante gezeigt werden. Für genauere Informationen wird auf den Fortran-Working-Draft verwiesen.

Fortran 90/95-Code (free source form)

program (, function, subroutine, ...) ... use ...  ! --------- Beginn "Mischbereich" (mögliche Anordnungsreihenfolge) --------- implicit ...  ! Definiton von Datenverbunden, Interface-Blöcke, benannte Konstanten, Variablendeklarationen  ! ausführbare Anweisungen ... format ...  ! --------- Ende "Mischbereich" -------------------------------------------- contains Interne Unterprogramme bzw. Modul-Unterprogramme end ...

Nicht jede Anweisung ist in jeder Programmeinheit erlaubt. So dürfen z.B. keine format-Anweisungen im Hauptteil eines Moduls (wohl aber in Modul-Unterprogrammen) verwendet werden.

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Datentypen, Variablen, Wertzuweisungen, Konstanten

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Dieses Kapitel handelt von Datentypen, Variablen, Konstanten und der Wertzuweisung.

Datentypen

Arithmetische Datentypen

Datentyp	Kommentar	Beispiele (Konstanten)
integer	Ganzzahlen	15, -6500, 200000000
real	Gleitkommazahlen einfacher Genauigkeit	3.1415, -5.5, .7e3, 12.5E-5
(double precision)	Gleitkommazahlen doppelter Genauigkeit (aus FORTRAN 77)	3.1415D0, -5.5D0, .7d3, 12.5D-5
complex	Komplexe Zahlen (zwei real-Zahlen)	(3.1415, -5.5), (1.4, 7.1E4)

double precision ist in Fortran 95 nur noch aus historischen Gründen (FORTRAN 77) vorhanden. Fortran 95 bietet für Datentypen höherer Genauigkeit bzw. mit größerem Zahlenbereich andere Sprachmittel. Diese Thematik wird später erläutert (Datentypen höherer Genauigkeit).

Binär-, Oktal- oder Hexadezimalzahlen können als "boz literal constants" angegeben werden:

Schreibweise 1	Schreibweise 2	Kommentar
B"zahl"	B'zahl'	Binäre Zahl
O"zahl"	O'zahl'	Oktalzahl
Z"zahl"	Z'zahl'	Hexadezimalzahl

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: a a = Z"AB1C" write(*,*) a  ! Ausgabe: 43804 a = O"7134" write(*,*) a  ! Ausgabe: 3676 a = B'101110110001' write(*,*) a  ! Ausgabe: 2993 end program bsp

Logischer Datentyp

Datentyp	Kommentar	Mögliche Werte
logical	Logischer Datentyp (wahr oder falsch)	.TRUE., .FALSE.

Zeichenketten

Datentyp	Kommentar	Beispiel (Konstante)
character(n)	Zeichenkette (String) mit einer Länge von n Zeichen	'Hallo, Welt!', "Hallo, Welt!"
character(len=n)	-"-
character*n	-"- (FORTRAN 77-Stil, sollte nicht mehr verwendet werden)
character	Zeichenkette (String) mit einer Länge von einem Zeichen	'H', "h"

Beachte: Zeichenketten können in Fortran 95 in Apostrophe oder Anführungszeichen eingeschlossen werden.

Beispiel:

"Wie geht's?"

'Er sagte: "Hallo"'

Variablen

Eine Variable ist charakterisiert durch einen

• symbolischen Namen
• Datentyp
• Wert
• Speicherplatz

Beim Programmstart hat eine Variable keinen definierten Wert. Eine Variable kann ihren Datentyp auf zwei Arten erhalten, durch implizite oder explizite Typanweisung.

Implizite Typanweisung

Bei der impliziten Typanweisung bestimmt der Anfangsbuchstabe des Variablenbezeichners den Datentyp.

Datentyp	Anfangsbuchstabe der Variablen
integer	Buchstaben I bis N (oder i bis n)
real	restliche Buchstaben

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp b1 = 8.9 c1 = 3. i1 = B1/C1 write (*,*) i1  ! Das Ergebnis ist 2, da i1 implizit als integer definiert ist end program bsp

Die Standardzuordnung der Anfangsbuchstaben kann durch das Schlüsselwort implicit auch geändert werden. Infolge der durch implizite Typanweisung entstehenden Fehlermöglichkeiten ist es sinnvoll, die implizite Typanweisung komplett auszuschalten. Dies wird durch die Anweisung

implicit none

gleich nach der program-Anweisung erreicht. Dann muss der Datentyp jeder Variablen explizit festgelegt werden.

Explizite Typanweisung

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real :: b real :: c real :: i  ! alternativ auch als real :: b, c, i b = 8.9 c = 3. i = b/c write (*,*) i  ! Das Ergebnis ist 2.966666 end program bsp

Benannte Konstanten

Benannte Konstanten werden in Fortran 95 folgendermaßen festgelegt:

datentyp, parameter :: symname = wert

Beispiele:

real, parameter:: PI = 3.1415, PIFAC = PI/2.0

character(5), parameter :: str = 'Hallo'

Der zugewiesene Wert kann eine Konstante (Literal) oder eine schon definierte benannte Konstante sein.

Für die Zeichenkettenlänge ist bei benannten Konstanten auch eine *-Schreibweise möglich. Dies erspart die explizite Angabe der Stringlänge.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(*), parameter :: a = 'Jetzt wird auch die Stringlaenge festgelegt' write(*,*) a  ! Ausgabe: Jetzt wird auch die Stringlaenge festgelegt end program bsp

Wertzuweisung

Wertzuweisungen haben wir schon kennengelernt:

variable = ausdruck

Beispiel:

k = 1
k = k + 2

Die Wertzuweisung an eine Variable ist, wie am vorigen und auch am nächsten Beispiel zu ersehen, nicht zu verwechseln mit einer mathematischen Gleichung. Der Ausdruck

k + 2 = 5

wäre zwar mathematisch korrekt. Als Wertzuweisung in einem Fortran-Programm ist dies aber keine mögliche Formulierung. k+2 ist kein zulässiger Ausdruck auf der linken Seite des Zuweisungsoperators (L-Wert).

In Fortran ist auch keine Kette von Wertzuweisungen möglich. Der folgende Ausdruck ist nicht erlaubt und liefert eine Fehlermeldung.

i = j = k = 1.5
! Fehler

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Felder

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Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(10) :: arr  ! ACHTUNG! Array startet mit dem Index 1  ! arr(0) waere ein Fehler! arr(1) = 1.5 arr(2) = 2.5 arr(10) = 10.5 write(*,*) arr(1)  ! 1.500000 wird ausgegeben write(*,*) arr(10)  ! 10.500000 wird ausgegeben end program bsp

Eindimensionale Felder

Statische Speicherallokation

Variante 1: Die dimension-Anweisung

real, dimension(10) :: arr 

Der Feldindex läuft von 1 bis 10.

Variante 2: Einfach

real :: var(10)

Variante 3: Verwendung von benannten Konstanten

integer, parameter :: MAXIND = 10
real, dimension(MAXIND) :: arr 

Hier erfolgt die Festlegung der Feldgröße über eine benannte Konstante.

Variante 4: Explizite Angabe der Feldgrenzen

real, dimension(0:9) :: arr

Hier wird Unter- und Obergrenze explizit angegeben. Der Index läuft nun von 0 bis 9. Die Feldgrenzen können auch negativ sein.

Dynamische Speicherallokation

Mit Fortran 90/95 kann der benötigte Speicherplatz für ein Feld dynamisch angefordert werden. Zu diesem Zweck gibt es das Schlüsselwort allocatable, welches unmittelbar bei der Felddeklaration die beabsichtigte dynamische Speicherallokation signalisiert.

datentyp, dimension(:), allocatable :: variablenbezeichner

Die intrinsische Funktion allocate dient dann der konkreten Speicherallokation im Aktionsteil des Programmes, also u.a. der Festlegung der konkreten Feldgröße. Der reservierte Speicherplatz kann mit der Funktion deallocate auch wieder freigegeben werden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(:), allocatable :: arr  ! dynamisches eindimensionales Feld integer :: status  ! Allokation allocate(arr(0:9), stat=status)  ! Feld mit Werten belegen,  ! ....  ! ....  ! Deallokation deallocate(arr, stat=status) end program bsp

Die Statusvariable sollte nach Ausführung der Allokationsfunktionen jeweils den Wert 0 aufweisen. Andere Werte stehen für eine Fehlermeldung.

Die Funktion allocated() hilft bei der Überprüfung des Allokationsstatus eines Feldes. Ist für das abgefragte Feld bereits Speicherplatz allokiert, dann liefert die Funktion .TRUE., ansonsten .FALSE.

! ...
if (.not. allocated(arr)) then
  allocate(arr(groesse), stat=s)
end if
! ...

Weitere Funktionen bezüglich Feldern sind im Kapitel Standardfunktionen aufgelistet.

Mehrdimensionale Felder

Für mehrdimensionale Felder gelten die gleichen Varianten wie für eindimensionale Felder. Die Speicherreihenfolge ist spaltenorientiert. Das bedeutet, der erste Index variiert am schnellsten: $a_{11},a_{21},\ldots ,a_{(n-1)m},a_{nm}$

Ein mehrdimensionales Feld kann auch in Fortran 90/95 maximal 7-dimensional gestaltet werden.

Beispiel: Ein 2-dimensionales Feld

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(10), dimension(0:9, 2:5) :: arr arr(0, 2) = 'Hallo' arr(1, 2) = 'Welt'  ! ... arr(9, 5) = 'Universum' write (*,*) arr(0, 2)  ! Ausgabe: Hallo write (*,*) arr(9, 5)  ! Ausgabe: Universum end program bsp

Beispiel: Spaltenorientierte Speicherreihenfolge

Die 3x3-Matrix $A={\begin{pmatrix}1&-5&0\\40&3&-2\\-1&9&65\end{pmatrix}}$ soll in ein Fortran-Programm eingelesen und wieder komplett ausgegeben werden. Zusätzlich soll auch der Wert des Feldelementes a₂₃ (2. Zeile, 3.Spalte, Wert=-2) separat ausgegeben werden.

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(3,3) :: arr(3,3) ! Feldelemente einlesen write (*,*) 'Werte (spaltenorientierte Eingabe):' read (*,*) arr ! Komplettes Feld ausgeben write (*,*) 'Gesamtfeld = ' , arr ! a23 ausgeben write (*,*) 'a23 = ', ARR(2,3) end program bsp

Ein-/Ausgabe:

 Werte (spaltenorientierte Eingabe):
1
40
-1
-5
3
9
0
-2
65
 Gesamtfeld =            1          40          -1          -5           3          9           0          
     -2          65
 a23 =           -2

Feldinitialisierung

Felder lassen sich auch gleich bei der Deklaration mit Werten initialisieren.

Array constructor

Bei eindimensionalen Feldern kann die Feldinitialisierung direkt mittels array constructor erfolgen.

Beispiel:

real, dimension(5) :: arr = (/1.1, 1.2, 1.3, 2.1, 2.4/)

Reshape

Für mehrdimensionale Felder besteht die Möglichkeit der direkten Verwendung des array constructors nicht. Stattdessen kann eine derartige Initialisierung über den Umweg der reshape-Funktion geschehen.

Beispiel: Die Matrix

7 8 9
7 8 9

soll in einem 2D-Feld gespeichert werden.

integer, dimension(2,3) :: arr = reshape( (/7, 7, 8, 8, 9, 9/), (/2, 3/) )

Teilfelder

Ähnlich wie das schon in FORTRAN 77 bei Zeichenketten möglich war, können nun auch Teilfelder direkt angesprochen werden.

Prinzip	Beschreibung
feldname (anfang:ende)	von anfang bis ende
feldname (:ende)	vom 1. Feldelement bis ende
feldname (anfang:)	von anfang bis zum letzten Feldelement
anfang >= untere Indexgrenze ende <= obere Indexgrenze

Beispiel: Eindimensionale Felder

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(2), dimension(5)  :: arr = (/'A1', 'A2', 'A3', 'A4', 'A5'/) integer, dimension(-3:1) :: i = (/-30, -20, -10, 0, 10/) write (*,*) arr(2:4)  ! Ausgabe: A2A3A4 write (*,*) arr(2:)  ! Ausgabe: A2A3A4A5 write (*,*) arr(:3)  ! Ausgabe: A1A2A3 write (*,*) arr(1)  ! Ausgabe: A1 write (*,*) arr  ! Ausgabe: A1A2A3A4A5 write (*,*) i(-2:0)  ! Ausgabe: -20 -10 0 end program bsp

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Arithmetische Ausdrücke

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Arithmetische Operatoren

Fortran 95 kennt wie FORTRAN 77 folgende arithmetische Operatoren

Operator	Kommentar
+	Addition
-	Subtraktion
*	Multiplikation
/	Division
**	Exponentiation

Operatorenpriorität

Die Prioriät der arithmetischen Operatoren entspricht den mathematischen Konventionen.

• Klammerung vor allem anderen, z.B. (a+b)*c $\Leftrightarrow$ a*c+b*c
• Exponentiation vor Punktrechnung, z.B. a*b**c $\Leftrightarrow$ a*(b**c)
• Punktrechnung vor Strichrechnung, z.B. a+b*c $\Leftrightarrow$ a+(b*c)

Berechnungsfolge bei gleicher Priorität

• Klammerung, Punktrechnung und Strichrechnung: $\rightarrow$
  Beispiel: a*b/c*d$\Leftrightarrow$((a*b)/c)*d
• Exponentiation: $\leftarrow$
  Beispiel: a**b**c$\Leftrightarrow$ a**(b**c)

Außerdem ist zu beachten, dass niemals zwei Operatoren direkt aufeinander folgen dürfen.

Beispiel: Der Ausdruck 1.5**-1 ist in Fortran 95 falsch und führt zu einer Fehlermeldung. Richtig ist 1.5**(-1)

Ergebnisdatentyp

Operanden gleichen Datentyps

Bei Operanden gleichen Datentyps erhält das Ergebnis den Datentyp der Operanden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real :: a a = 3/2  ! 3 ist ein integer und 2 ist auch ein integer,  ! daher muss das Ergebnis auch ein integer sein, also 1.  ! Die Zuweisung an die real-Variable a stellt das  ! Ergebnis nicht mehr richtig. write(*,*) a  ! Ausgabe: 1.00000 end program bsp

Implizite Typumwandlung bei Operanden gemischten Datentyps

Weisen die Operanden unterschiedliche Datentypen auf, so wird bei jeder Operation, falls nötig, das Ergebnis dem höherwertigen Datentyp angepasst.

integer$\rightarrow$ real$\rightarrow$ complex

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real :: a a = 3/2.  ! 2. ist ein real. Jetzt stimmt das Ergebnis. write (*,*) a  ! Ausgabe: 1.500000 end program bsp

Explizite Typumwandlung

Fortran 95 besitzt auch Funktionen zur expliziten Umwandlung des Datentyps. Diese werden im Kapitel Standardfunktionen näher beschrieben.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real :: r complex :: c r = 2. c = cmplx(r) write (*,*) c  ! Ausgabe: ( 2.000000 , 0.000000 ) end program bsp

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Logische Ausdrücke

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Logische Ausdrücke können zwei Zustände annehmen, .TRUE. oder .FALSE..

Logische Operatoren

Operator	Kommentar
.NOT.	logisches NICHT
.AND.	logisches UND
.OR.	logisches ODER
.EQV.	logische Äquivalenz
.NEQV.	logische Antivalenz

Wahrheitstafel

a	b	.NOT. a	a .AND. b	a .OR. b	a .EQV. b	a .NEQV. b
.TRUE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.	.TRUE.	.TRUE.	.FALSE.
.TRUE.	.FALSE.	.FALSE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.
.FALSE.	.TRUE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.	.TRUE.
.FALSE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.	.FALSE.	.TRUE.	.FALSE.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none logical :: l l = .TRUE. write(*,*) .NOT. l  ! Ausgabe: F end program bsp

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none logical :: a, b a = .TRUE. b = .FALSE. write (*,*) a .NEQV. b  ! Ausgabe: T end program bsp

Operatorenpriorität

1. Klammerung () bindet am stärksten
2. .NOT.
3. .AND.
4. .OR.
5. .EQV., bzw. .NEQV.

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Vergleichsausdrücke

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Vergleichsoperatoren

Zum Vergleichen zweier arithmetischer Ausdrücke oder von Strings gibt es Vergleichsoperatoren. Das Ergebnis eines Vergleichs ist ein logischer Wert (.TRUE. oder .FALSE.).

Operator in Fortran 95	Operator in FORTRAN 77	Kommentar
<	.LT.	less than (kleiner als, <)
<=	.LE.	less equal (kleiner gleich, <=)
>	.GT.	greater than (größer als, >)
>=	.GE.	greater equal (größer gleich, >=)
==	.EQ.	equal (gleich, ==)
/=	.NE.	not equal (ungleich, !=)

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: a, b a = 5 b = 6 write (*,*) A < B  ! Ausgabe: T end program bsp

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(len=5) :: a, b a = "Halli" b = "Hallo" write (*,*) a < b  ! Ausgabe: T end program bsp

Operatorenpriorität

1. Klammerung
2. Arithmetische Operatoren
3. Vergleichsoperatoren
4. Logische Operatoren

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Stringoperationen

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Verknüpfungsoperator

Operator	Kommentar
//	Operator zum Verknüpfen von Strings

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(len=4) :: a character(len=10) :: b a = 'How ' b = 'do you do.' write(*,*) a // b  ! Ausgabe: How do you do. end program bsp

Teilketten

Ein String ist ein character-Feld. Auf die Stringelemente kann wie in einem Feld zugegriffen werden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(10) :: a a='Hallo Welt' write(*,*) a(2:4)  ! Ausgabe: all write(*,*) a(5:)  ! Ausgabe: o Welt write (*,*) a(:3)  ! Ausgabe: Hal end program bsp

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(10) :: a a='Hallo Welt' a(7:) = 'XYZ' write(*,*) a  ! Ausgabe: Hallo XYZ end program bsp

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Verzweigungen und Schleifen

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Einleitung

Neben der sequentiellen Programmausführung bietet Fortran 90/95 andere grundlegende Kontrollstrukturen zur Steuerung des Programmablaufs.

Verzweigungen	Schleifen	Terminierung
if select case	do	stop exit cycle

Zwecks komfortabler Manipulation von Feldinhalten stehen zusätzliche Spezialkonstrukte zur Verfügung:

where forall

All diese Programmelemente werden in diesem Kapitel detailliert dargestellt. Neben den genannten Steuerkonstrukten sind in Fortran 90/95 auch noch das berüchtigte goto und einige als veraltet gekennzeichnete Sprunganweisungen möglich. Fortran 90 und Fortran 95 unterscheiden sich in Details bei Schleifen und Verzweigungen. Da Fortran 90 durch Fortran 95 bzw. beide durch den Fortran 2003-Standard abgelöst wurden, wird auf die Unterschiede nicht näher eingegangen.

if-Verzweigungen

Der if-Einzeiler

Form	Strukturbild
if( logischer ausdruck ) anweisung

Der if-Einzeiler oder das "if statement" ist die einfachste Form, um in Fortran-Programmen eine Verzweigung zu realisieren. Ist der angegebene logische Ausdruck wahr, dann wird die Anweisung ausgeführt, sonst nach dem if-Einzeiler mit der Programmausführung fortgesetzt. Dieses Konstrukt kann nur eine einzelne Anweisung verdauen! Die gesamte if-Struktur inklusive Anweisung muss in einer Zeile angegeben werden. Eine konventionelle Zeilenfortsetzung mit dem &-Zeichen ist aber möglich. Einige Anweisungen sind nicht erlaubt. So kann die Anweisung nicht wieder ein "if statement" sein (geschachtelte if-Einzeiler). Ebenso darf der Anweisungsteil nicht aus end program, end function oder end subroutine bestehen.

Beispiel:

program bsp
  implicit none
 
  integer :: i
   
  i = 2 

  ! Der logische Ausdruck ist .true. , "Hallo" wird ausgegeben 
  if (i == 2) print *, 'Hallo'

  ! Das funktioniert nicht und ist deshalb auskommentiert
  !  if (i == 2) 
  !    print *, 'Hallo'

  ! So geht's aber
  if (i == 2)             &
    print *, 'Hallo'

  ! Folgendes wiederum wird nicht das ev. erhoffte Resultat zeigen (= keine 
  ! Ausgabe, da der logische Ausdruck .false.) Die durch Strichpunkt 
  ! abgetrennte write-Anweisung gehört nicht mehr zum "if statement", 
  ! sondern ist schon eine eigenständige Anweisung ausserhalb des 
  ! if-statements
  if (i == 3) print *, 'Hallo 1'; print *, 'Hallo 2'

  ! Ausgabe: 
  !   Hallo
  !   Hallo
  !   Hallo 2  
end program

if-then

Kurzform	Langform	Strukturbild
if( logischer ausdruck ) then anweisungsblock end if	name: if( logischer ausdruck ) then anweisungsblock end if name

Das if-then-Konstrukt erlaubt eine konventionelle einseitige Verzweigung. Im Gegensatz zum if-Einzeiler ist hier ein Anweisungsblock mit beliebig vielen Anweisungen erlaubt. Einem if-then-Konstrukt, wie auch den meisten nachfolgenden Verzweigungs- und Schleifentypen, kann eine Bezeichnung mitgegeben werden.

Beispiel:

program bsp
  implicit none
     
  integer :: i
   
  i = 2
 
  if (i == 2) then
    print *, 'Hallo1'
  end if

  CHECKIT: if (i /= 3) then
    print *, 'Hallo2'
    exit CHECKIT
    print *, 'Hallo3'         ! <- wird nicht mehr ausgefuehrt
  end if CHECKIT

  ! Ausgabe: 
  !   Hallo1
  !   Hallo2
end program

if-then-else

Kurzform	Langform	Strukturbild
if( logischer ausdruck ) then if-anweisungsblock else else-anweisungsblock end if	name: if( logischer ausdruck ) then if-anweisungsblock else name else-anweisungsblock end if name

Dies ist eine typische zweiseitige Verzweigung. Je nachdem, ob die Bedingung zu wahr oder falsch ausgewertet wird, wird der if- oder der else-Anweisungsblock ausgeführt, um nach dem Verzweigungsende wieder den gleichen Programmcode abzuarbeiten. Bei der Langform (benanntes if-then-else-Konstrukt) ist übrigens auch noch eine andere Variante möglich. So könnte der Bezeichner name nach else auch weggelassen werden. Nach dem end if ist er, sofern die benannte Form gewählt wurde, aber auf jeden Fall anzugeben.

Beispiel:

program bsp
  implicit none
 
  real      :: t, tc, tr
  character :: conv

  print *, "Gib Temperatur in Kelvin ein:"
  read (*,*) t    

  CHECKRANGE: if (t >= 0.0) then
    print *, "Umrechnung (c -> in Celsius, anderes Zeichen -> in Rankine):"
    read (*,*) conv    

    if (conv == "c") then
      tc = t - 273.15
      print *, tc
    else
      tr = 1.8 * t
      print *, tr
    end if
  else CHECKRANGE
    print *, "Fehler: t < 0.0 K"
  end if CHECKRANGE 
end program

else-if

Kurzform	Langform
if (logischer ausdruck 1) then if-anweisungsblock 1 else if (logischerAusdruck 2) then if-anweisungsblock 2 else if (logischerAusdruck n) then if-anweisungsblock n else else-anweisungsblock end if	name: if (logischer ausdruck 1) then if-anweisungsblock 1 else if (logischerAusdruck 2) then name if-anweisungsblock 2 else if (logischerAusdruck n) then name if-anweisungsblock n else name else-anweisungsblock end if name
Strukturbild

Das ist die allgemeinste Form der if-Verzweigung und wird im Fortran-Standard als "if construct" bezeichnet. Die vorher beschriebenen Formen sind nur vereinfachte Spezialfälle dieses Verzweigungstyps.

Beispiel:

program bsp
  implicit none
 
  integer :: i
    
  print *, "Gib eine natuerliche Zahl ein:"  
  read (*,*) i 
 
  ! *** Langform ***
  I999: if (i == 1) then
    print *, "A"
  else if ((i > 1) .and. (i <=  5)) then I999 
    print *, "BCDE"
  else if ((i > 5) .and. (i <= 11)) then I999 
    print *, "FGHIJK"
  else I999 
    print *, "L-Z" 
  end if I999

  ! *** Das Gleiche in Kurzform ***
  if (i == 1) then
    print *, "A"
  else if ((i > 1) .and. (i <=  5)) then 
    print *, "BCDE"
  else if ((i > 5) .and. (i <= 11)) then  
    print *, "FGHIJK"
  else 
    print *, "L-Z" 
  end if 
end program

Die select case-Verzweigung

Kurzform	Langform	Strukturbild
select case( variable ) case( fall1 ) anweisungsblock1  ! ... case( falln ) anweisungsblockn [case default anweisungsblockdefault] end select	name: select case( variable ) case( fall1 ) name anweisungsblock1  ! ... case( falln ) name anweisungsblockn [case default name anweisungsblockdefault] end select name

Eine andere Möglichkeit zur Erstellung von Verzweigungen stellt die "select case"-Steueranweisung (das "case construct") bereit. Die variable kann vom Typ integer, logical oder character sein. Die Fälle werden durch Konstanten repräsentiert. Es muss nicht jeder Fall einzeln angeschrieben werden. Fälle, die zwar die gleichen Aktionen ausführen sollen, aber durch verschiedene Konstanten dargestellt werden, können zu einem Fall zusammengezogen werden. Optional kann auch noch ein "Default"-Fall angegeben werden.

Möglichkeiten um Fälle festzulegen:

n	Einzelne Konstante	gleich n
n1, n2, n3	Fallliste	n1 oder n2 oder n3
n:	Bereich	von n bis ...
:m	Bereich	von ... bis m
n:m	Bereich	von n bis m

Die in der Tabelle gelisteten Alternativen können natürlich auch kombiniert werden, z.B. eine Liste aus Einzelkonstanten und Bereichen. Bei logischem Datentyp ist die Angabe von Bereichen natürlich unsinnig.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i read( *, * ) i select case( i ) case( :111 ) write( *, * ) 'Fall 1' case( 112:332, 334 ) write( *, * ) 'Fall 2' case( 333 ) write( *, * ) 'Fall 3' case default write( *, * ) 'unspezifiziertes Ereignis' end select ! Ausgabe (Eingabe: 222): ! Fall 2 ! Ausgabe (Eingabe: -5): ! Fall 1 ! Ausgabe (Eingabe: 333): ! Fall 3 ! Ausgabe (Eingabe: 5000): ! unspezifiziertes Ereignis end program bsp

do-Schleifen

Fortran kennt nur einen allgemeinen Schleifentyp – die do-Schleife. Diese do-Schleife gibt es aber in verschiedenen Ausprägungen, so dass damit ziemlich alle denkbaren Einsatzfälle abgedeckt sind.

Im Prinzip haben alle do-Schleifen die Form

do [...] ... end do

do-if-exit

Kurzform	Langform	Strukturbild
do anweisungsblock1 if( logischer ausdruck ) exit anweisungsblock2 end do	name: do anweisungsblock1 if( logischer ausdruck ) exit anweisungsblock2 end do name

Lässt man den anweisungsblock1 weg, dann erhält man eine kopfgesteuerte Schleife. Entfällt der anweisungsblock2, so ist die Schleife fußgesteuert. Ohne Abbruchbedingung ist dies eine Endlosschleife.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i = 1 do write( *, * ) i i = i + 1 if( i > 10 ) exit end do write( * , * ) "Die do-Schleife wurde beendet" ! Ausgabe ! 1 ! 2 ! ... ! 10 ! Die do-Schleife wurde beendet end program bsp

Die do-Zählschleife

Kurzform	Langform
do zählvariable = startwert, endwert [, schrittweite] anweisungsblock end do	name: do zählvariable = startwert, endwert [, schrittweite] anweisungsblock end do name
Strukturbild

Zählvariable, Startwert, Endwert und Schrittweite müssen vom Typ integer sein. Die Zählvariable darf in der Schleife nicht manipuliert werden. Wird die Schrittweite nicht explizit vorgegeben, so hat sie den Wert 1.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i do i = 1, 10 write( *, * ) i end do ! Zeilenweise Ausgabe der Zahlen 1 bis 10 end program bsp

do while

Kurzform	Langform	Strukturbild
do while( logischer ausdruck ) anweisungsblock end do	name: do while( logischer ausdruck ) anweisungsblock end do name

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i i = 0 do while( i < 5 ) write( *, * ) i i = i + 1 end do ! Die Zahlen 0 bis 4 werden ausgegeben end program bsp

Die implizite do-Liste

Bei Eingabe oder Ausgabe ist die Angabe einer impliziten do-Liste möglich.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i write( *, * ) ( 'Hallo', i = 1, 10 ) ! Ausgabe: HalloHalloHalloHalloHalloHalloHalloHalloHalloHallo end program bsp

Spezialkonstrukte für Felder

where

Sollen in Feldern Elemente manipuliert werden, so können die where-Anweisungen (das "masked array assignment") hilfreich sein. Dabei lassen sich Feldelementen in Abhängigkeit von vorgegebenen Bedingungen (Maske) neue Werte zuweisen.

Der where-Einzeiler

Form
where( bedingung ) variable = ausdruck

Das "where statement" muss komplett in eine Zeile geschrieben werden, wobei Zeilenumbrüche mit dem &-Zeilenumbruchsmarker jedoch erlaubt sind. Für komplexere Probleme ist das im nächsten Abschnitt vorgestellte "where construct" (where-elsewhere) vorgesehen.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(5) :: arr = (/ 5, 1, -1, 1, 7 /) write( *, * ) arr ! Ausgabe: 5 1 -1 1 7 where( arr >= 3 ) arr = 99999 write(*,*) arr ! Ausgabe: 99999 1 -1 1 99999 end program bsp

where-elsewhere

Kurzform	Langform
where( bedingung1 ) anweisungsblock [elsewhere( bedingung2 ) anweisungsblock2] [elsewhere( bedingungn ) anweisungsblockn] [elsewhere anweisungsblockm] end where	name: where( bedingung1 ) anweisungsblock [elsewhere( bedingung2 ) name anweisungsblock2] [elsewhere( bedingungn ) name anweisungsblockn] [elsewhere name anweisungsblockm] end where name

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(10) :: arr = (/ 5, 1, -1, 1, 7, -3, 7, 6, -9, 8 /) where( arr <= 0 ) arr = 0 elsewhere( arr > 0 .and. arr <= 3 ) arr = 1 elsewhere arr = 2 end where write(*,*) arr ! Ausgabe: 2 1 0 1 2 0 2 2 0 2 end program bsp

forall

Auch die forall-Schleife ist für den Einsatz bei Feldern gedacht. Im Gegensatz zum "where construct" werden hier die ausgewählten Feldelemente in erster Linie über die Indizes und erst in zweiter Linie über den Wert bestimmt.

Der forall-Einzeiler

Formen
forall( index = subscript:subscript[:stride] ) anweisung
forall( ind1 = subs1a:subs1b[:str1], ind2 = subs2a:subs2b[:str2] [, indn = subsna:subsnb[:strn]] ) anweisung

Die erste angegebene Form ist für eindimensionale Felder gedacht, die zweite für mehrdimensionale Felder. Über subscript kann der Indexbereich festgelegt werden. Das optionale stride gibt die Schrittweite vor. Wird dieser Wert nicht angegeben, so ist die Schrittweite = 1.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(5)  :: a = (/ 1, 2, 3, 4, 5 /) integer, dimension(2, 2) :: b = reshape( (/ 0, 2, -1, 5 /), (/ 2, 2 /) ) integer  :: i, j forall( i = 1:3 ) a(i) = 0 write( *, * ) a ! Ausgabe: 0 0 0 4 5 forall( i = 1:5:2 ) a(i) = -1 write( *, * ) a ! Ausgabe: -1 0 -1 4 -1 forall( i = 1:5 ) a(i) = max ( a(i), 3 ) write( *, * ) a ! Ausgabe: 3 3 3 4 3 forall( i = 1:2, j = 2:2 ) b(i, j) = -9 write( *, * ) b ! Ausgabe: 0 2 -9 -9 end program bsp

Aber das ist nicht alles, was der forall-Einzeiler zustande bringt. Zusätzlich zur Feldelementbestimmung über Indexbereiche kann auch eine Maske vorgegeben werden. Die forall-Schleife ist also auch eine erweiterte where-Anweisung.

Form
forall( ind1 = s1a:s1b[:s1] [, indn = sna:snb[:sn] [, maske] ) anweisung

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(5)  :: a = (/ 1, 2, 3, 4, 5 /) integer  :: i, j forall( i = 1:4, a(i) > 2 ) a(i) = 0 write( *, * ) a ! Ausgabe: 1 2 0 0 5 end program bsp

Bei der Verwendung von forall-Anweisungen sind einige Prämissen zu beachten. So müssen nebst anderem in Masken oder im Anweisungsbereich verwendete Funktionen pure sein. Was das genau bedeutet wird später im Kapitel Unterprogramme erläutert

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(5)  :: a = (/ 1, 2, 3, 4, 5 /) integer  :: i ! Die Funktion berechne_1() darf nicht innerhalb einer forall-Anweisung ! aufgerufen werden, da sie nicht "pure" ist ! forall( i = 1:4, a(i) > 2 ) a(i) = berechne_1( a(i) ) ! FEHLERMELDUNG ! Die Funktion berechne_2 macht das Gleiche wie berechne_1(), ! ist aber als "pure" gekennzeichnet und darf in der forall-Anweisung ! aufgerufen werden forall( i = 1:4, a(i) > 2 ) a(i) = berechne_2( a(i) ) ! OK write( *, * ) a ! Ausgabe: 1 2 9 12 5 contains integer function berechne_1( val ) integer, intent( in ) :: val integer  :: res res = val * 3 berechne_1 = res end function berechne_1 pure integer function berechne_2( val ) integer, intent( in ) :: val integer  :: res res = val * 3 berechne_2 = res end function berechne_2 end program bsp

Das "forall construct"

Kurzform	forall( index = subscript:subscript[:stride] ) anweisungsblock end forall
Langform	name: forall( index = subscript:subscript[:stride] ) anweisungsblock end forall name

Es gilt im Prinzip das gleiche wie für den forall-Einzeiler. Es sind innerhalb der Schleife eben mehrere Anweisungen erlaubt. Es gelten auch die Formen für mehrdimensionale Felder und mit Vorgabe einer Maske. Diese sind in diesem Abschnitt aber nicht mehr explizit angeführt.

Terminierung

stop

Die stop-Anweisung beendet das Programm.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none write( *, * ) 'Vor Stop-Statement' stop write( *, * ) 'Nach Stop-Statement' ! Ausgabe: ! Vor Stop-Statement end program bsp

Der stop-Anweisung kann auch ein "stop-code" mitgegeben werden. Dieser "stop-code" kann eine Ganzzahl (maximal 5-stellig) oder eine Zeichenkette sein. Der "stop-code" wird bei der Programmtermination ausgegeben. Wo die Ausgabe erfolgt und wie sie aussieht ist aber betriebssystem- und compilerabhängig.

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i read( *, * ) i if( i == 1 ) then stop 999 else stop "Sonstiger Stop" end if ! Ausgabe (bei Eingabe von 1): ! ifort (Linux): ! 999 ! gfortran, g95 (Linux): ! STOP 999 ! Sun f95 (Linux): ! STOP: 999 end program bsp

exit

Mit der Anweisung exit kann eine do-Schleife verlassen werden. Wird eine do-Schleife mit einer Bezeichnung versehen, so kann bei der exit-Anweisung explizit auf die benannte Schleife Bezug genommen werden. Wird kein Schleifenname angegeben, so bezieht sich die exit-Anweisung immer auf die innerste Schleife, mit der sie im Zusammenhang steht.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i, j outerloop: do i = 1, 5 write( *, * ) "Outer", i, "Beginn" innerloop: do j = 1, 3 if( i == 1 ) exit if( i == 2 ) exit innerloop if( i == 4 ) exit outerloop write( *, * ) "Inner", j end do innerloop write( *, * ) "Outer", i, "Ende" end do outerloop ! Ausgabe: ! Outer 1 Beginn ! Outer 1 Ende ! Outer 2 Beginn ! Outer 2 Ende ! Outer 3 Beginn ! Inner 1 ! Inner 2 ! Inner 3 ! Outer 3 Ende ! Outer 4 Beginn end program bsp

cycle

Mit cycle wird der aktuelle do-Schleifendurchlauf beendet und wieder zum Schleifenkopf gesprungen. Wird eine do-Schleife mit einer Bezeichnung versehen, so kann bei der cycle-Anweisung explizit auf die benannte Schleife Bezug genommen werden. Wird kein Schleifenname angegeben, so bezieht sich die cycle-Anweisung immer auf die innerste Schleife, mit der sie im Zusammenhang steht.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i, j outerloop: do i = 1, 5 write( *, * ) "Outer", i, "Beginn" innerloop: do j = 1, 3 if( i == 1 ) cycle outerloop if( i == 4 ) cycle innerloop if( i == 5 ) cycle write( *, * ) "Inner", j end do innerloop write( *, * ) "Outer", i, "Ende" end do outerloop ! Ausgabe: ! Outer 1 Beginn ! Outer 2 Beginn ! Inner 1 ! Inner 2 ! Inner 3 ! Outer 2 Ende ! Outer 3 Beginn ! Inner 1 ! Inner 2 ! Inner 3 ! Outer 3 Ende ! Outer 4 Beginn ! Outer 4 Ende ! Outer 5 Beginn ! Outer 5 Ende end program bsp

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Datentypen höherer Genauigkeit

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Fortran 95 bietet für die Festlegung von Datentypen höherer Genauigkeit einen neuen Ansatz.

Einfache Variante

Mittels kind (dt.: Art, Sorte, Gattung, Wesen) kann die Genauigkeit bzw. der Wertebereich eines Datentyps festgelegt werden. Die einfache Variante ist aber system- und compilerabhängig.

datentyp (kind=wert) :: var

Kurzform:

datentyp (wert) :: var

Für wert ist meist (aber nicht immer) die Anzahl der Bytes einzusetzen. Literale eines solchen Datentyps sind mit einem entsprechenden Anhängsel zu kennzeichnen, z.B.:

• 3.141592654_8
• -4.9e55_8

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real(kind=8) :: variable  ! variable ist nun vom Datentyp "double precision" variable = 1.55555555555_8 write(*,*) variable  ! Ausgabe: 1.55555555555000  ! Hier wird nur eine gewöhnliche real-Zahl mit 7 Nachkommastellen  ! zugewiesen variable = 1.55555555555 write(*,*) variable  ! Ausgabe: 1.55555558204651 end program bsp

System- und compilerunabhängige Variante

Das kind-Attribut darf über eine Konstante oder eine benannte Konstante belegt werden. So kann statt

real(kind=8) :: var

auch

integer, parameter :: dp = 8
real(kind=dp)      :: var

geschrieben werden. Der entsprechende kind-Wert ist auch per Funktion ermittelbar. Die Variable var

integer, parameter :: dp = kind(0.0d0)
real(kind=dp)      :: var

ist in diesem Beispiel somit vom Datentyp double precision. Das ist schon compilerunabhängig verwendbarer Fortran-Code.

Nachfolgend wird die selected_real_kind(p, r)-Funktion vorgestellt, die durch Vorgabe der gewünschten Nachkommastellen und/oder des Exponentenmaximalwertes einen potentiell geeigneten kind-Wert für Gleitkommazahlen ermittelt.

selected_real_kind

integer, parameter :: name = selected_real_kind(anzahl_nachkommastellen, max_exponentenwert)

Die Funktion selected_real_kind gibt einen Wert zurück, der alle Gleitkommazahlen mit mindestens anzahl_nachkommastellen Dezimalstellen Genauigkeit und einem Exponentenbereich von max_exponentenwert berücksichtigt. Gibt es keinen solchen systemspezifischen Wert, so wird einer der folgenden Werte zurückgegeben:

• -1 ... die geforderte Anzahl an Dezimalstellen ist nicht verfügbar
• -2 ... der Exponentenbereich ist nicht verfügbar
• -3 ... nichts von beidem ist verfügbar

Wird eine solche Konstante mit negativem Wert nachfolgend als kind-Wert bei der Deklaration einer Variablen, Konstanten etc. verwendet, so führt dies in aller Regel zu einer Fehlermeldung bereits beim Kompiliervorgang.

Es ist auch möglich die selected_real_kind-Funktion mit nur einem Argument aufzurufen. Die Argumente sind mit p (für precision) bzw. r (für range) benannt.

Beispiele:

integer, parameter :: dp = selected_real_kind(r=60)

integer, parameter :: dp = selected_real_kind(p=15)

integer, parameter :: ultrap = selected_real_kind(1000, 5000) ! liefert höchstwahrscheinlich 
                                                              ! die negative Zahl -3

Variablendeklaration

real (kind=name) :: variable

Kurzform:

real (name) :: variable

Beispiel:

integer, parameter :: dp = selected_real_kind(r=60)
real(kind=dp)      :: var

Konstanten

zahl_name

Literale eines solchen Datentyps sind mit dem im Programmcode festgelegten charakteristischen Anhängsel zu kennzeichnen, z.B.:

• 3.141592654_dp
• -4.9e55_dp

Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, parameter :: dp = selected_real_kind(15, 300) real(kind=dp) :: variable variable = 1.5555555555_dp / 2_dp write(*,*) variable  ! Ausgabe: 0.777777777750000 write(*,*) kind(variable)  ! Ausgabe: 8 end program bsp

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Datenverbund

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Einleitung

Datenelemente lassen sich auch zu eigenen zusammengesetzten Datentypen verbinden. Der Datenverbund ist in anderen Programmiersprachen auch als Struktur (structure, struct) bekannt. Der Fortran 95-Standard spricht vom "derived type", also einem abgeleiteten Datentyp. Zulässig als Komponenten eines Datenverbundes sind Skalare, Felder, Zeiger oder auch andere Datenverbunde. Ein Datenverbund ist durch das Schlüsselwort type gekennzeichnet und kann in folgenden Formen auftreten

type name ... end type [name]

type [,zugriffsspezifizierer] :: name ... end type [name]

Die Elemente in eckigen Klammern sind optional. Die Angabe eines Zugriffsspezifizierers (public, private) ist nur bei Verwendung von Datenverbunden in Modulen erlaubt.

Einen Datenverbund anlegen

type :: name [sequence] ! optional sequentielle Speicherplatzablage datentyp :: komponentenname_1  ! ... datentyp :: komponentenname_n end type [name]

Beispiel (Programmausschnitt):

Fortran 90/95-Code (free source form)

! ... type :: koord integer  :: id real, dimension(3) :: x end type koord ! ...

Eine Variable vom Typ "Datenverbund" anlegen

Die Variablendeklaration erfolgt in der Form

type( name ) :: var

Beispiel (Programmausschnitt):

Fortran 90/95-Code (free source form)

! ... type :: koord integer  :: id real, dimension(3) :: x end type koord type( koord ) :: k ! ...

Zugriff auf Einzelkomponenten eines Datenverbunds

Eine Einzelkomponente in einem Datenverbund lässt sich als Kombination des Datenverbundvariablenbezeichners und des Komponentennamen ansprechen. Verknüpft werden diese beiden Bezeichner mit dem %-Zeichen.

var%komponentenname

Beispiel (Programmausschnitt):

Fortran 90/95-Code (free source form)

! ... type :: koord integer  :: id real, dimension(3) :: x end type koord type( koord ) :: k k%id = 999 k%x(1) = 0.0 k%x(2) = 20.5 k%x(3) = 10.0 write( *, * ) k%x(2) ! ...

Zugriff auf einen Datenverbund als Ganzes

Ein Datenverbund kann in bestimmten Situation nicht nur komponentenweise angesprochen werden, sondern auch als Einheit, z.B. bei der Ein-/Ausgabe oder beim Zuweisen der Werte einer Datenverbundvariablen an eine andere.

Beispiel (Programmausschnitt):

Fortran 90/95-Code (free source form)

! ... type :: koord integer  :: id real, dimension(3) :: x end type koord type( koord ) :: k1, k2 read( *, * ) k1 k2 = k1 write( *, * ) k2 ! ...

Elemente eines Datenverbunds initialisieren

Default-Werte im Datenverbund setzen

Innerhalb eines Datenverbundes lassen sich die einzelnen Variablen mit Vorgabewerten belegen, z.B.

integer                      :: i = 5
character, dimension( 2, 2 ) :: c = reshape( (/ "A", "B", "C", "D" /), (/ 2, 2 /) )

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none type :: koord integer  :: id = -999999 real, dimension( 3 ) :: x = 0.0 end type koord type( koord ) :: k write( *, * ) k ! Ausgabe: ! -999999 0.0 0.0 0.0 end program bsp

Der "structure constructor"

Die Initialisierung der Datenverbundelemente bzw. eine spätere Wertzuweisung kann auch per "structure constructor" ("derived type value constructor") vorgenommen werden.

name( wertliste )

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none type :: koord integer  :: id real, dimension( 3 ) :: x end type koord type( koord ) :: k = koord( 12, (/ 0.0, 1.5, 20.5 /) ) write( *, * ) k k = koord( 13, (/ 5.5, 0.0, 0.5 /) ) write( *, * ) k ! Ausgabe: ! 12 0.0 1.5 20.5 ! 13 5.5 0.0 0.5 end program bsp

Enthält ein Datenverbund bereits Variablen mit Vorgabewerten, so werden diese durch die Werte im "structure constructor" überschrieben.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none type :: person character(25) :: vorname = 'NN' character(25) :: nachname = 'NN' integer  :: alter end type person type(person), dimension(5) :: p p(1) = person('Harri', 'P.', 41) p(5) = person('Creszenzia', 'T.', 18) write(*, fmt=111) p ! Ausgabe: ! Harri P. 41 ! NN NN 0 ! NN NN 0 ! NN NN 0 ! Creszenzia T. 18 write(*,*) p(1)%vorname ! Ausgabe: ! Harri p(2)%vorname = 'Holger' write(*, '(A)') p%vorname ! Ausgabe: ! Harri ! Holger ! NN ! NN ! Creszenzia 111 format(2A, I3) end program bsp

Beispiel: Verwendung eines Datenverbunds in einem anderen Datenverbund

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none type :: tripel real :: x, y, z end type tripel type :: koerper integer  :: id type( tripel ) :: bezugskoordinate type( tripel ) :: orientierung end type koerper type( koerper ) :: k k = koerper( 1005, tripel( 10.5, 0.0, -6.5 ), tripel( 0.0, 0.0, -0.8 ) ) write( *, * ) k ! Ausgabe: ! 1005 10.50000 0.000000 -6.500000 0.000000 ! 0.000000 -0.8000000 end program bsp

Das Attribut sequence

Im Datenverbund kann zu Beginn auch das Attribut sequence angegeben werden. Dieses spezifiziert, dass die Werte eines Datenverbunds sequentiell gespeichert werden. Wird dieses Attribut weggelassen, so ist nicht gewährleistet, dass die Werte von Datenverbundvariablen in der selben Reihenfolge, wie sie im Datenverbund gereiht wurden im Speicher wiederzufinden sind, oder dass sie zusammenhängend gespeichert werden. Oft wird die Speicherreihenfolge keine wesentliche Rolle spielen. Ein Spezialfall, wo die Speicherreihenfolge jedoch essenziell ist, wird anschließend dargestellt.

Die Verwendung eines Datenverbunds in separaten Programmeinheiten

Ein Datenverbund kann über ein Modul verschiedenen Programmeinheiten bekannt gemacht werden. Dazu aber später. Es ist nämlich auch so möglich in komplett getrennten Programmeinheiten auf ein und denselben Datenverbund-Datentyp zuzugreifen.

Beispiel: Ein ähnliches Beispiel findet sich auch im J3/97-007R2 Working Draft, Note 4.31

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none type :: koord sequence integer  :: id real, dimension( 3 ) :: x end type koord type( koord ) :: k = koord( 555, (/ 3.0, 4.0, 5.5 /) ) call ausgabe( k ) ! Ausgabe ! 555 3.0000000 4.0000000 5.5000000 end program bsp subroutine ausgabe( coord ) type :: koord sequence integer  :: id real, dimension( 3 ) :: x end type koord type( koord ), intent( in ) :: coord write( *, * ) coord end subroutine ausgabe

In diesem speziellen Fall muss der Datenverbund lt. Standard mit dem Attribut sequence versehen werden. Des Weiteren muss der im Hauptprogramm deklarierte Datenverbund komplett identisch mit jenem im Unterprogramm sein (Datenverbundname, Variablenbezeichner, Reihenfolge, Datentypen). In der Praxis sehen das viele Compiler nicht so eng. Allerdings können bei Nichtbeachtung dieser Vorgaben spätestens beim Wechsel des Compilers oder auf andere Rechnerarchitekturen gröbere Probleme auftreten.

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Standardfunktionen

Allgemeine Hinweise

Die in den nachfolgenden Abschnitten angeführten Tabellen und Listen geben die im Fortran 95-Working Draft gelisteten intrinsischen Funktionen in simplifizierter Form wieder. Einzelheiten stehen jeweils in Unterkapiteln.

Auch die Standard-Subroutinen wurden berücksichtigt. Die einzelnen Compiler kennen zum Teil wesentlich mehr Funktionen als im Standard vorgegeben. Bei Verwendung solcher Funktionen sind die Programme jedoch nicht mehr quellcodekompatibel. Auf die Wiedergabe solcher compilerspezifischen Funktionen wird hier deshalb verzichtet.

Tabellenlegende

Abkürzung	Beschreibung
i	Integer-Datentyp (integer)
r	Real-Datentyp (real)
x	Complex-Datentyp (complex)
d	Double-precision-Datentyp (real(z, kind(0.0D0)))
z	beliebiger numerischer Datentyp (integer, real, complex)
c	Zeichen (character)
l	Logical-Datentyp (logical)
any	beliebiger intrinsischer Datentyp
arr	Feld (Array)
aarr	dynamisches Feld
ptr	Zeiger (Pointer)

Datentypfunktionen

• Umwandlung in INTEGER
• Umwandlung in REAL
• Umwandlung in DOUBLE PRECISION
• Umwandlung in COMPLEX
• Umwandlung in CHARACTER
• kind-Parameter

Einzelheiten siehe Datentypfunktionen

Mathematische Funktionen

• Rundung
• Absolutwert
• Modulo
• Vorzeichentransfer
• Positive Differenz
• Maximum
• Minimum
• Komplexe Zahlen
• Quadratwurzel
• Exponentialfunktion
• Logarithmen
• Winkelfunktionen
• Arkusfunktionen
• Hyperbelfunktionen

Einzelheiten siehe Mathematische Funktionen

Stringfunktionen

• Lexikalische Funktionen
• Sonstige

Einzelheiten siehe Stringfunktionen

Feldfunktionen

• Konstruktion und Umgestaltung von Feldern
• Abfragen von Feldstatus, Felddaten und Feldmetadaten
• Funktionen für Vektoren und Matrizen
• Sonstige

Einzelheiten siehe Feldfunktionen

Zeigerfunktionen

Einzelheiten siehe Zeigerfunktionen

Bitfunktionen

Einzelheiten siehe Bitfunktionen

Weitere Funktionen

Einzelheiten siehe Weitere Funktionen

Intrinsische Subroutinen

Einzelheiten siehe Intrinsische Subroutinen

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Unterprogramme

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Werden Programme umfangreicher und komplexer oder werden einzelne Programmabschnitte öfter verwendet, dann ist es sinnvoll Unterprogramme (Prozeduren) zu verwenden. Fortran 95 kennt zwei Typen von Unterprogrammen:

• Funktionen (function)
• Subroutinen (subroutine)

Darüber hinaus existiert in Fortran die Möglichkeit Unterprogramme und Daten mittels Modulen in das Programm einzubeziehen.

Das function Unterprogramm

Eine Funktion ist ein Unterprogramm, das genau einen Wert zurück gibt. Welcher Art von Datentyp der Wert ist, wird durch eine Zuweisung an den Funktionsnamen erreicht ( z. B. real).

Die allgemeine Funktionsdeklaration lautet:

datentyp function funktionsname ( [formale parameter] ) Vereinbarungsteil Anweisungsteil funktionsname = wert [return] end function funktionsname

Wird der Datentyp bei der Funktionsdeklaration nicht angegeben, so muss der Datentyp der Funktion im Vereinbarungsteil festgelegt werden:

function funktionsname ( [formale parameter] ) Vereinbarungsteil datentyp :: funktionsname Anweisungsteil funktionsname = wert [return] end function funktionsname

Mittels return kann zur aufrufenden Programmeinheit zurückgekehrt werden. Ein return unmittelbar vor der end-Anweisung ist nicht unbedingt erforderlich, da das Programm beim Erreichen der end-Anweisung zur aufrufenden Programmeinheit zurück springt. Deswegen sollte bei allen neueren Programmen darauf verzichtet werden. Wichtig ist die return-Anweisung für alternative Rücksprünge zur aufrufenden Programmeinheit.

Eine Funktion wird meist mittels folgender allgemeiner Anweisung von der ausführenden Programmeinheit aufgerufen:

variable = funktionsname( aktuelle parameter )

Dabei orientiert sich diese Unterprogrammtechnik direkt an mathematischen Funktionen. Im folgenden Beispiel ruft das Programm test die Funktion funk auf, führt das Unterprogramm aus und gibt den entsprechenden Rückgabewert an das Programm test zurück:

Datei bsp.f95:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program test  ! implicit none real :: funk real :: x, y write(*,*) 'x -> ' read(*,*) x y = funk( x ) write(*,*) 'funk -> ', y end program test real function funk( a )  ! implicit none real :: a funk = a**2 end function funk

Das Unterprogramm funk kann sich direkt unter der aufrufenden Programmeinheit in der selben Textdatei oder in einer separaten Datei befinden. Befindet sich das Unterprogramm in einer separaten Datei, so muss diese und die aufrufende Programmeinheit zusammen kompiliert werden:

Übersetzung mit gfortran im vorliegenden Fall:

gfortran -o bsp bsp.f95 

Übersetzung mit gfortran bei separaten Dateien (bspw.):

gfortran -o bsp bsp.f95 funk.f95

Es ist aber auch möglich eine Funktion nur durch ihren Namen aufzurufen. Der Rückgabewert der Funktion wird dann direkt ausgegeben:

Datei bsp.f95:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program test  ! implicit none real :: funk real :: x write(*,*) 'x -> ' read(*,*) x write(*,*) 'funk -> ', funk( x ) end program test real function funk( a )  ! implicit none real :: a funk = a**2 end function funk

Das subroutine Unterprogramm

Eine subroutine ist ein Unterprogramm, das mehr als einen Wert zurückgeben kann. Eine Subroutine besitzt im Gegensatz zu einer Funktion keinen Datentyp und Rückgabewert.

Die allgemeine Deklaration einer Subroutine lautet:

subroutine subroutinenname ([formale parameter]) Vereinbarungsteil Anweisungsteil [return] end subroutine subroutinenname

Mittels return kann zur aufrufenden Programmeinheit zurückgekehrt werden. Ein return unmittelbar vor der end-Anweisung ist nicht unbedingt erforderlich, da das Programm beim Erreichen der end zur aufrufendenen Programmeinheit zurück springt. Deswegen sollte bei allen neueren Programmen darauf verzichtet werden. Wichtig ist die return Anweisung für alternative Rücksprünge zur aufrufenden Programmeinheit.

Aufgerufen wird eine Subroutine aus der aufrufenden Programmeinheit mittels der call-Anweisung:

call subroutinenname [([aktuelle parameter])]

Im folgenden Beispiel wird die Subroutine sub aufgerufen. Diese gibt dann zwei Werte zurück:

Datei bsp.f95

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp  ! implicit none real :: x, y, z write( *, * ) 'x -> ' read( *, * ) x call sub( x, y, z ) write( *, * ) 'y -> ', y, 'z -> ', z end subroutine sub( a, b, c )  ! implicit none real :: a, b, c b = a**2 c = a**2 + b end subroutine sub

Weitere Anweisungen für die Unterprogrammtechnik

Das intent-Attribut

Im Vereinbarungsteil der Funktion wird der Parameterdeklaration das Schlüsselwort intent mitgegeben.

datentyp, intent( in ) :: var

Mit intent( in ) wird angezeigt, dass der Parameter var in der Funktion nicht geändert wird und kein Rückfluss der Information in die aufrufende Programmeinheit stattfindet. Ein intent( out ) oder intent( inout ) wie bei Subroutinen wäre meist auch möglich, widerspricht aber dem Grundgedanken des Fortran-Funktionsbegriffs und der strukurierten Programmierung. Bei einer Funktion soll der Informationsrückfluss über den Rückgabewert stattfinden und nicht über Parameter.

Bei der Parameterübergabe bietet eine Subroutine folgende intent-Möglichkeiten:

• datentyp, intent(in) :: var ... Informationfluss von der aufrufenden Programmeinheit in die Funktion
• datentyp, intent(out) :: var ... Informationfluss von der Subroutine zur aufrufenden Programmeinheit
• datentyp, intent(inout) :: var ... beidseitiger Informationsfluss

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real :: a, b, c a = 1.0 b = 2.0 c = 3.0 call sub(a, b, c) write (*,*) 'Hauptprogramm: ', a, b, c  ! Ausgabe: 1.000000 22.20000 33.30000 end subroutine sub(x, y, z) implicit none real, intent(in)  :: x real, intent(out)  :: y real, intent(inout) :: z write (*,*) 'Unterprogramm: ', x, y, z  ! Ausgabe: 1.000000 2.000000 3.000000 y = 22.2 z = 33.3 end subroutine sub

Die aktuellen und formalen Parameter müssen hinsichtlich Datentyp, Anzahl, Reihenfolge übereinstimmen.

Die pure Anweisung

Ein Unterprogramm welches keine Seiteneffekte hat ist ein bloßes bzw. reines (pure) Unterprogramm. Ein Unterprogramm erzeugt dann keine Seiteneffekte, wenn es weder seine Eingabedaten, noch die Daten verändert, die außerhalb des Unterprogrammes liegen, es sei denn, es wären seine Ausgabedaten. In einem reinen Unterprogramm haben die lokalen Variablen keine save Attribute, noch werden die lokalen Variablen in der Datendeklaration initialisiert.

Reine Unterprogramme sind für das forall-Konstrukt notwendig: das forall-Konstrukt wurde für das parallele Rechnen konzipiert, weshalb hier der Computer entscheidet, wie das Konstrukt abgearbeitet werden soll. Dazu ist es aber notwendig, das es egal ist in welcher Reihenfolge das Konstrukt abgearbeitet wird. Gilt dies nicht - hat das Unterprogramm also Seiteneffekte - so kann das forall-Konstrukt nicht verwendet werden.

Jedes Ein- und Ausgabeargument in einem reinen Unterprogramm muss mittels des intent-Attributs deklariert werden. Darüberhinaus muss jedes Unterprogramm, das von einem reinen Unterprogramm aufgerufen werden soll, ebenfalls ein reines Unterprogramm sein. Sonst ist das aufrufende Unterprogramm kein reines Unterprogramm mehr.

Die elemental Anweisung

Ein Unterprogramm ist elementar, wenn es als Eingabewerte sowohl Skalare als auch Felder akzeptiert. Ist der Eingabewert ein Skalar, so liefert ein elementares Unterprogramm einen Skalar als Ausgabewert. Ist der Eingabewert ein Feld, so ist der Ausgabewert ebenfalls ein Feld.

Die return Anweisung

Eine return-Anweisung darf nur im Gültigkeitsbereich von Unterprogrammen verwendet werden. Sie bewirkt einen Abbruch der Unterprogrammausführung und eine Rückkehr zum Aufrufpunkt, wo mit der nächsten Anweisung fortgesetzt wird.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program main implicit none call xyz( -2 ) write( *, * ) "UP-Ende" stop write( *, * ) "Programmende" contains subroutine xyz( n ) integer, intent( in ) :: n integer  :: k do k = n, n+20 write( *, * ) k if( k == 5 ) return end do write( *, * ) "k_max =", k end subroutine xyz ! Ausgabe: ! -2 ! -1 ! 0 ! 1 ! 2 ! 3 ! 4 ! 5 ! UP-Ende end program main

Einige Compiler erlauben zwecks Programmabbruch auch ein return anstelle des stop im Hauptprogramm. Das ist aber nicht standardkonform. Andere Compiler würden solchen Code mit einer Fehlermeldung abweisen, das Programm wäre somit nicht mehr uneingeschränkt portabel.

Ein exit in der Schleife anstelle der return-Anweisung würde nur den Schleifendurchlauf abbrechen und die Unterprogrammausführung würde nach der Schleife fortgesetzt.

Felder als Parameter

Beispiel: Übergabe eines ganzen Feldes

Datei bsp.f95:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(3,3) :: feld integer :: cnt, i, j cnt = 1 do i = 1, 3 do j = 1, 3 feld(j,i) = cnt cnt = 1 + cnt end do end do  ! Unterprogrammaufruf call sub(feld)  ! Ausgabe: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 end program bsp

Datei sub.f95

Fortran 90/95-Code (free source form)

subroutine sub(arr) implicit none integer, dimension(3,3), intent(in) :: arr write(*,*) arr end subroutine sub

Beispiel: Übergabe einer Feld-Teilkette

Datei bsp.f95:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer,dimension(3,3) :: feld integer :: cnt, i, j cnt = 1 do i = 1, 3 do j = 1, 3 feld(j,i) = cnt cnt = 1 + cnt end do end do  ! Unterprogrammaufruf call sub(feld(1:2,2:3))  ! Ausgabe: 4 5 7 8 end program bsp

Datei sub.f95

Fortran 90/95-Code (free source form)

subroutine sub(arr) implicit none integer, dimension(0:1, 0:1), intent(in) :: arr write(*,*) arr end subroutine sub

Beispiel: Übergabe eines Feld-Einzelelements

Datei bsp.f95:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(3,3) :: feld integer cnt, i, j cnt = 1 do i = 1, 3 do j = 1, 3 feld(j,i) = cnt cnt = 1 + cnt end do end do  ! Unterprogrammaufruf call sub(feld(1,2))  ! Ausgabe: 4 end program bsp

Datei sub.f95

Fortran 90/95-Code (free source form)

subroutine sub(arr) implicit none integer, intent(in) :: arr write(*,*) arr end subroutine sub

Prozeduren als Parameter

Auch Prozeduren können als Parameter übergeben werden.

Standardfunktionen (intrinsic functions) werden dazu folgendermaßen im Vereinbarungsteil gekennzeichnet:

intrinsic namensliste

oder

datentyp, intrinsic :: namensliste

Eigene Unterprogramme oder Unterprogramme aus Bibliotheken mit:

external namensliste

oder

datentyp, external :: namensliste

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp real, parameter :: PI=3.1415927 ! intrinsic functions intrinsic sin, cos ! Unterprogrammaufrufe call sub(sin, PI) ! Ausgabe: 0.000000 call sub(cos, PI) ! Ausgabe: -1.000000 end program bsp subroutine sub(funk, x) implicit none real :: funk, x write(*,*) nint(funk(x)*1000)/1000.0 end subroutine sub

Optionale Parameter

Ab Fortran 90 sind auch optionale Parameter für Unterprogramme erlaubt. Solche Parameter sind durch das Attribut optional zu kennzeichnen. Auch der aufrufenden Programmeinheit muss diese Parameter-Optionalität bekannt gegeben werden, z.B. über ein Interface. Das aktuelle Vorhandensein eines als optional markierten Parameters beim Unterprogrammaufruf kann im Unterprogramm selbst durch die Funktion present geprüft werden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface subroutine ab(a, b) integer, intent( in )  :: a integer, intent( in ), optional :: b end subroutine ab end interface call ab( 1 ) call ab( 8, 12 ) ! Ausgabe: ! Nur a gegeben 1 ! Beide Parameter gegeben 8 12 end program bsp subroutine ab(a, b) integer, intent( in )  :: a integer, intent( in ), optional :: b if( present( b ) ) then write (*,*) "Beide Parameter gegeben", a, b else write (*,*) "Nur a gegeben", a end if end subroutine ab

Module

Module ersetzen in Fortran 95 die FORTRAN 77-COMMON-Blöcke. In einem Modul können Variablen, Konstanten und auch Unterprogramme abgelegt werden. Diese können dann von verschiedenen Programmeinheiten angesprochen werden.

module modulname [implicit none] [save] Deklaration von Variablen, Konstanten [contains Unterprogramme ] end module modulname

Das Einbinden eines Moduls in eine Programmeinheit geschieht mittels der Anweisung

use modulname [, only liste]

only signalisiert, dass nur die in liste angegebenen Variablen oder Konstanten verwendet werden sollen.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module m1 implicit none save real, parameter :: PI=3.1415 real :: a end module m1 program bsp use m1 implicit none a = 1.5 write(*,*) 'Hauptprogramm 1: ', PI, a  ! Ausgabe: Hauptprogramm 1: 3.141500 1.500000 call sub write(*,*) 'Hauptprogramm 2: ', PI, a  ! Ausgabe: Hauptprogramm 2: 3.141500 2.500000 end program bsp subroutine sub use m1 implicit none write(*,*) 'Unterprogramm: ', PI, a  ! Ausgabe: Unterprogramm: 3.141500 1.500000 a = 2.5 end subroutine sub

Das save-Statement in Modulen stellt sicher, dass die aktuellen Werte von Modulvariablen beim Wechsel zwischen den verschiedenen Programmeinheiten sicher erhalten bleiben.

Rekursiver Unterprogrammaufruf

In Fortran 95 können Unterprogramme (Funktionen, Subroutinen) auch rekursiv aufgerufen werden. Rekursion bedeutet, dass ein Unterprogramm sich selbst wieder aufruft (lat. recurrere oder en. recur ... wiederkehren, zurückkommen).

Beispiel: Berechnung von n! (vereinfacht)

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: zahl, ergebnis, fac write(*,*) "Gib eine Ganzzahl ein: " read(*,*) zahl ergebnis = fac(zahl) write(*,*) "Ergebnis ist: ", ergebnis end program bsp recursive function fac(n) result(zerg) implicit none integer, intent(in) :: n integer :: zerg  ! Vereinfacht: Keine Überprüfung ob Überlauf, negative Zahl, etc. zerg = n if (n > 1) then zerg = n * fac(n-1) end if return end function fac

Der Funktionskopf ist bei diesem Beispiel etwas anders gestaltet als üblich. Während der Intel-Fortran-Compiler auch ein

recursive integer function fac(n)

oder ein

integer recursive function fac(n)

problemlos akzeptiert, wirft der gfortran-Compiler bei diesen Varianten einen Syntaxfehler.

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Ein- und Ausgabe

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read

Die read-Anweisung dient dem Einlesen von Daten. Typisches Beispiel ist die Dateneingabe mittels Tastatur. Formal sieht eine read-Anweisung so aus:

read([unit=]unit, [fmt=]fmt [, iostat=iostat] [, advance=advance]) [eingabeliste]

• unit ... Nummer der Eingabeeinheit (ist systemabhängig), Sternoperator oder auch die einer Datei mittels open-Anweisung zugeordnete Nummer.
• fmt ... Anweisungsnummer zu einer format-Anweisung, Sternoperator oder Formatliste
• iostat ... read-Status
• advance ... siehe write

Listengesteuerte Eingabe auf der Standardeingabe (normalerweise die Tastatur):

read (*,*) a, b, c

Alternativ kann das auch so geschrieben werden:

read (unit=*, fmt=*) a, b, c

Beim Intel Fortran Compiler, gfortran und g95 ist auch unit = 5 als stdin (Tastatur) vorbelegt. Das Einlesen aus Dateien und die Einstellung des Formates werden später erläutert.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i(5) ! Einlesen in ein Feld (unit ... Standardeingabe, fmt ... listengesteuert) read (*,*) i ! ... end program bsp

Kurze Erläuterung zu iostat:

Wert	Erläuterung
0	kein Fehler
positiver Wert (systemabhängig)	Fehler
negativer Wert (systemabhängig)	End Of File und kein Fehler

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i, st ! Einlesen eines Wertes read (*, *, iostat=st) i ! Ausgabe des IO-Status write (*,*) 'IO-Status:', st end program bsp

Ausgabe:

Für Eingabe: 5 → 0

Für Eingabe: 5.3 → Positiver Wert = Fehler

Das Einlesen aus Dateien und die Einstellung des Formates werden später erläutert.

write

Die write-Anweisung dient der Datenausgabe. Typisches Beispiel ist die Anzeige von Daten auf dem Bildschirm. Formal sieht eine write-Anweisung so aus:

write([unit=]unit, [fmt=]fmt [, iostat=iostat] [, advance=advance]) [ausgabeliste]

• unit ... Nummer der Ausgabeeinheit (ist systemabhängig), Sternoperator oder auch die einer Datei mittels open-Anweisung zugeordnete Nummer.
• fmt ... Anweisungsnummer zu einer format-Anweisung, Sternoperator oder Formatliste
• iostat ... write-Status
• advance ... nur bei sequentieller formatierter I/O. Formatspezifizierer muss explizit gegeben sein.
  • 'no' ... kein Vorschub des file position pointers zum nächsten Datensatz (z.B. kein Zeilenvorschub).
  • 'yes' ... mit Vorschub des file position pointers zum nächsten Datensatz (voreingestellt)

Listengesteuerte Ausgabe auf der Standardausgabe (normalerweise der Bildschirm):

write (*,*) a, b, c

Alternativ kann das auch so geschrieben werden:

write (unit=*, fmt=*) a, b, c

Beim Intel Fortran Compiler, gfortran und g95 sind auch

• unit=0 als stderr (Bildschirm) und
• unit=6 als stdout (Bildschirm)

vorbelegt. Bezüglich iostat gilt auch hier der im vorigen Abschnitt kurz geschilderte Sachverhalt.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: i(5) = (/ 5, 4, 1, -1, -7 /) ! ... ! Ausgabe der Feldwerte (unit ... Standardausgabe, fmt ... listengesteuert) write (*,*) i ! ... end program bsp

Beispiel: advance

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character(10) :: ch integer :: st write(*, '(A)', advance='YES') "Hallo" write(*, '(A)', advance='YES') "Welt" write(*, *) "ABCDEFGHIJKLMN" end program bsp

Ausgabe:

advance='YES'	advance='NO'
Hallo Welt ABCDEFGHIJKLMN	HalloWelt ABCDEFGHIJKLMN

Die Ausgabe in Dateien und die Einstellung des Formates werden etwas später erläutert.

Kürzer: print, read, write und Namenslisten

Für die listengesteuerte Ein- und Ausgabe existieren auch vereinfachte Formen. Für Eingaben wird wieder der read-Befehl verwendet, für Ausgaben gibt es die print-Anweisung.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer  :: a, b real  :: r complex  :: z character( len = 10 ) :: str read *, a, b, r, z, str ! Eingabe per Tastatur: ! 10, 30, 55.5, (10.8,7.0), Hallo print *, str, a, b, r, z ! Ausgabe am Bildschirm: ! Hallo 10 30 55.5 (10.8,7.) end program bsp

Bei mehrfachem Aufruf gleicher Ein- bzw. Ausgabeanweisungen kann durch Verwendung von Namenslisten der Programmcode kürzer gestaltet werden. Die Dateneingabe wird dadurch aber etwas komplizierter:

• eingeleitet wird die Eingabe durch ein &-Zeichen, unmittelbar gefolgt vom Namenslistenbezeichner
• danach folgen ein oder mehrere Leerzeichen
• es folgen die Zuweisungen von Werten zu den Variablennamen
• abgeschlossen wird die Eingabe durch einen Slash /

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer  :: a, b real  :: r complex  :: z character( len = 10 ) :: str namelist / LISTEA / a, b, r, z, str namelist / LISTEB / str, r, z read( *, nml = LISTEA ) ! Eingabe per Tastatur: ! &LISTEA b = 30, a = 10, r = 55.5, z = (10.8,7.0), str = "Hallo" / write( *, nml = LISTEB ) ! Ausgabe auf dem Bildschirm (Intel 9.1): ! &LISTEB ! STR = Hallo , ! R = 55.50000 , ! Z = (10.80000,7.000000) ! / end program bsp

Formatierung

Die Ein- und Ausgabeformatierung kann beeinflusst werden. Zu diesem Zweck gibt es die format-Anweisung.

... (..., fmt = marke, ...) ... marke format (formatliste)

Alternativ kann die Formatliste auch direkt in die read- oder write-Anweisung eingebunden werden

... (..., fmt = '(formatliste)', ...) ...

Formatlistenelemente

Formatspezifizierer	Kommentar
Ix[.z]	Ganzzahl mit einer Feldlänge von x Zeichen. z gibt die Mindestanzahl der auszugebenden Zeichen an (Feld wird, wenn nötig, mit führenden Nullen aufgefüllt).
Bx[.z]	Ganzzahl, Ausgabe als Binärzahl.
Ox[.z]	Ganzzahl, Ausgabe als Oktalzahl.
Zx[.z]	Ganzzahl, Ausgabe als Hexadezimalzahl.
Fx.y	Fixkommazahl mit einer Gesamtfeldlänge von x Zeichen. y ist die Anzahl der Nachkommastellen (Vorzeichen und Dezimalpunkt müssen in der Gesamtfeldlänge berücksichtigt werden). F0.y führt zu einer variablen Feldlänge in Abhängigkeit vom minimalen Platz der für die Vorkommastellen nötig ist.
Ex.y	Gleitkommazahl mit einer Gesamtfeldlänge von x Zeichen. y ist die Anzahl der Nachkommastellen. (Vorzeichen, Dezimalpunkt und die Zeichen für den Exponenten müssen in der Gesamtfeldlänge berücksichtigt werden).
Dx.y	Gleitkommazahl, doppelte Genauigkeit
A	Eine Zeichenkette.
Ax	Eine Zeichenkette mit x Zeichen.
Lx	Ein logischer Wert, T (wahr) bzw. F (falsch).
xX	x Leerzeichen.
/	Zeilenvorschub
Tx	Tabulator (an der Position x)

Obige Tabelle der Formatlistenelemente ist nicht vollständig; es gibt z.B. noch »G« für ein »generelles« Ausgabeformat, das aber wenig gebräuchlich ist. Die Ausgabe erfolgt normalerweise rechtsbündig. Reicht die Gesamtfeldlänge bei numerischen Werten nicht aus, so werden anstelle einer Zahl Sternchen angezeigt.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: a a = 999 write(*, 3333) a  ! Ausgabe: 999 a = -999 write (*, 3333) a  ! Ausgabe: *** 3333 FORMAT (I3, /, /)  ! / ... nach jeder 3333-write-Anweisung werden zwei Leerzeilen eingefügt end program bsp

Alternativ könnte die Formatliste auch so in die write-Anweisung eingebaut werden:

write(*, '(I3, /, /)') a

Oder mittels benannter Konstante auch so:

 character(*), parameter :: fs = '(I3, /, /)'
 print fs, a

Hier wurde statt der write-Anweisung der print-Befehl verwendet. Der Effekt ist derselbe, es erfolgt eine formatierte Ausgabe.

Weitere Formatierungsbeispiele:

Code	Ausgabe
WRITE(*, 999) 1234 WRITE(*, 999) 1234567 WRITE(*, 999) 1234567890 999 FORMAT(I9.6)	001234 1234567 *********
WRITE(*, 999) 555.6666 WRITE(*, 999) +5.6 WRITE(*, 999) -55.666E7 WRITE(*, 999) -55555.666 999 FORMAT(F9.3)	555.667 5.600 ********* *********
WRITE(*, 999) 555.6666 WRITE(*, 999) +5.6 WRITE(*, 999) -55.666E7 WRITE(*, 999) -55555.666 999 FORMAT(E9.3)	0.556E+03 0.560E+01 -.557E+09 -.556E+05
WRITE(*, 999) 'Hallo' WRITE(*, 999) 'ABCDEFGHIJKL' WRITE(*, 888) 'ABCDEFGHIJKL' 888 FORMAT(A) 999 FORMAT(A10)	Hallo ABCDEFGHIJ ABCDEFGHIJKL
WRITE(*, *) 'FORTRAN', '77' WRITE(*, 999) 'FORTRAN', '77' 999 FORMAT(A, 1X, A)	FORTRAN77 FORTRAN 77
WRITE(*, 888) 'FORTRAN', '77' WRITE(*, 999) 'FORTRAN', '77' 888 FORMAT(A, T3, A) 999 FORMAT(A, T20, A)	FO77RAN FORTRAN 77
WRITE(*, 999) 'FORTRAN', '77' 999 FORMAT(A, /, A)	FORTRAN 77
WRITE(*, 999) 34.56 WRITE(*, *) 34.56 C SP ... Sign Plus (+) 999 FORMAT(SP, F12.3)	+34.560 34.56

Wiederholung von Formatteilen

Beispiel:

   write(*, 100) 'abc', 10.3, 'xxx', 23.4
 100 format (2(A3, F6.1))

write etwas anders

Beispiel:

   write (*, 100) 
 100 format ('Hallo', X, 'Welt!')

Dynamische Mehrfachformatierung

Formatierungsanweisungen können auch als String bearbeitet werden, indem man z.B. die Anzahl der auszugebenden Variablen per write-Befehl in die Formatierung schreibt.

Mehrfachformatierung - Beispiel:

   character(5) :: formatierung
   integer, dimension(1:4) :: einsen = 1
   integer :: anzahl
   anzahl = 4
   formatierung = '( I1)'
   write(formatierung(2:2), '(I1)') anzahl
   write(*, formatierung) einsen

Dateien

Datensatz

Datensätze können in folgender Form auftreten:

• Formatierter Datensatz: Textdatensatz
• Unformatierter Datensatz: Datensatz in einer maschineninternen Form.
• Dateiendesatz

Datei

Für Fortran ist alles eine Datei, das durch read oder write bearbeitbar ist.

Zugriffsmethoden:

• Sequentieller Zugriff: Lesen ab Beginn der Datei (file) und dann immer den nächsten Datensatz einlesen. Geschrieben wird jeweils ans Dateiende. Auf interne Dateien kann nur sequentiell zugegriffen werden.
• Direkter Zugriff: Bearbeiten in beliebiger Reihenfolge durch Angabe der Satznummer.
• Binärer Zugriff: Bearbeiten von Dateien, die binäre Daten enthalten, z. B. Bilder von CCD-Kamera, Scilab/Matlab save-Dateien

Dateitypen:

• Externe Datei: Eine konventionelle Datei
• Interne Datei: character-Variable oder -Feld.

Dateien haben im Betriebsystem einen Dateinamen. In Fortran wird eine Datei über eine Dateinummer (unit) angesprochen. Die Zuordnung erfolgt mit dem Befehl open.

open

Zum Öffnen einer externen Datei dient die open -Anweisung.

open (liste)

mit folgender liste

Element	Kommentar
[unit =] x	x ist eine Dateinummer (Ganzzahl, sollte über 10 liegen, da oft Nummern unter 10 fix zugeordnet sind, z.B. der Standardein-, ausgabe).
file = x	x ist der externe Dateiname
iostat = x	x ist 0 wenn open fehlerfrei ausgeführt wurde, ansonsten eine systemabhängige Fehlernummer
status = x	Dateistatus: 'old' ... Datei existiert bereits 'new' ... Datei wird neu erzeugt 'scratch' ... namenlose temporäre Datei 'unknown' ... System bestimmt Dateistatus selbst 'replace' ... der Inhalt einer bereits vorhandenen Datei wird gelöscht.
access = x	Zugriffsmethode: 'sequential' ... Sequentielle Datei 'direct' ... direkter Zugriff 'stream' ... binärer Zugriff
position = x	Den Dateisatzzeiger beim Öffnen der Datei an eine bestimmte Position setzen. ('asis', 'rewind', 'append')
form = x	Format: 'formatted' oder 'unformatted'
action = x	'read' ... nur Lesezugriff 'write' ... nur Schreibzugriff 'readwrite' ... Lesen und Schreiben
recl = x	Datensatzlänge (positive Zahl, access='direct', in Bytes)
err = x	Im Fehlerfall Sprung zur Marke x
blank = x	'null' oder 'zero' (nur für form='formatted')
delim = x	'apostrophe' 'quote' 'none'
pad = x	'yes' oder 'no' (nur für form='formatted')

Eingestellte Vorgabewerte sind:

• status = 'unknown'
• position = 'asis'
• access = 'sequential'
• form = 'formatted'

Wird access='direct' gesetzt, so gilt form='unformatted' als Vorgabewert.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: stat character(80) :: str open(20, file='/tmp/testdatei.txt', iostat=stat) if(stat == 0) then write(*,*) 'Das Öffnen der Datei war ein voller Erfolg' do read(20, '(A)', iostat=stat) str  ! Bei EOF wird stat /= 0 if (stat /= 0) exit write(*,*) str end do else write(*,*) 'Datei konnte nicht geöffnet werden' end if close(20) end program bsp

close

Geschlossen wird die Verbindung zur externen Datei mit dem close-Befehl.

close (liste)

liste:

Element	Kommentar
[unit =] x	wie bei open
iostat = x	wie bei open
err = x	wie bei open
status = x	'keep' ... Datei erhalten (voreingestellt) 'delete' ... Datei löschen

Lesen und Schreiben

Gelesen oder geschrieben wird mit den bereits bekannten read- und write-Anweisungen.

Element	Kommentar
[unit =] x	Dateinummer bzw. CHARACTER-Variable oder Feld (interne Datei)
[fmt =] x	siehe Formatierung
[nml] = x	x ... namelist-group-name
rec = x	Datensatznummer bei Direktzugriff (siehe Abschnitt Direktzugriff)
iostat = x	wie bei read
err = x	Bei Fehler Sprung zur Anweisungsnummer x
end = x	Bei Dateiende Sprung zur Anweisungsnummer x (nicht erlaubt bei Direktzugriff, nicht bei write)
advance = x	'yes' oder 'no'
eor = x	Bei End of Record Sprung zur Marke x (nicht bei write)
size = x	x ... Zeichenzähler (nicht bei write, advance='no')

Es existiert eine Menge von Einschränkungen, wann welche Elemente erlaubt sind, bzw. welche nur kombiniert auftreten sollen, z.B.

• wenn der rec-Spezifizierer Verwendung findet, dann darf kein end-Element angegeben werden
• Bei Dateneingabe nur dann ein size-Spezifizierer, wenn advance='no' gesetzt ist.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character (len = 80) :: a integer  :: st = 0 open (20, file='/tmp/testdatei.txt', status='OLD', iostat=st) if (st /= 0) then stop "open-Fehler!" end if  ! Aus Datei lesen do read (20, 888, iostat=st) a  ! Auf Standardausgabe schreiben if (st == 0) then write (*, 888) a else if (st > 0) then write (*,*) "read-Fehler!" exit else if (st < 0) then exit end if end do close(20) 888 format(A) end program bsp

Direktzugriff

OPEN:

Element	Kommentar
access = x	x ... 'DIRECT'
recl = x	x ... Datensatzlänge (positive Zahl, access='DIRECT', in Bytes bzw. bei formatierten Dateien in Characters)
fmt = x	x ... Formatangabe (wird eine Datei 'FORMATTED' geöffnet, dann muss auch eine konkrete Formatliste angegeben werden, ansonsten tut's auch der Sternoperator)

READ/WRITE:

Element	Kommentar
REC = x	x ... Satznummer bei Direktzugriff

Beispiel: Gegeben ist die Textdatei /tmp/testdatei.txt mit dem Inhalt

Die WRITE-Anweisung dient der Datenausgabe aus einem FORTRAN-Programm auf ein 
externes Gerät. Typisches Beispiel ist die Anzeige von Daten auf dem Bildschirm. 
Formal sieht eine WRITE-Anweisung so aus:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character (len = 10) :: c integer  :: st open (20, file='/tmp/testdatei.txt', status='OLD', form='FORMATTED', & access='DIRECT', recl=15, iostat=st) if (st /= 0) then stop "open-Fehler!" end if read (20, fmt='(A)', rec=4, iostat=st) c if (st /= 0) then write (*,*) "read-Error" else write (*,*) c end if close (20) end program bsp

Ausgabe:

s einem FO

Positionieren bei sequentiellen Dateien

Datensatzzeiger um einen Datensatz zurücksetzen:

backspace ([unit=]x [,iostat=y] [,err=z])

Positionieren an den Dateibeginn:

rewind ([unit=]x [,iostat=y] [,err=z])

Schreiben eines Dateiendsatzes:

endfile ([unit=]x [,iostat=y] [,err=z])

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none character (len = 100), dimension(3) :: c integer  :: st = 0 open (20, file='/tmp/testx.txt', status='NEW', iostat=st) call checkStatus(st, "open-") write (20,*) 'Das ist eine Testdatei' write (20,*) 'Dies ist Zeile 2 der Testdatei' write (20,*) 'Jenes die Zeile 3 der Testdatei' write (20,*) "Jetzt ist's aber genug" endfile (20) rewind (20, iostat=st) call checkStatus(st, "rewind-") read (20, fmt=555, iostat=st) c call checkStatus(st, "read-") write (*, fmt=555) c backspace (20, iostat=st) call checkStatus(st, "backspace-") read (20, fmt=555, iostat=st) c(1) call checkStatus(st, "read-") write (*, fmt=555) c(1) close (20) 555 format (A) end program bsp subroutine checkStatus(st, ch) integer, intent (in) :: st character (*), intent (in) :: ch if (st /= 0) then close(20) write (*,*) ch // "Fehler!" stop end if end subroutine checkStatus

Ausgabe:

Das ist eine Testdatei                                                         
Dies ist Zeile 2 der Testdatei                                                 
Jenes die Zeile 3 der Testdatei                                                
Jenes die Zeile 3 der Testdatei

inquire

Die Anweisung inquire dient der Abfrage einiger Eigenschaften von Dateien oder I/O-Units.

inquire (file = x, liste)

mit x ... Dateiname (inkl. Pfad)

inquire ([unit =] x, liste)

mit x ... Nummer der I/O-Unit.

liste:

Element	Kommentar
access = x	x: 'SEQ' ... sequentieller Dateizugriff 'DIRECT' ... Direktzugriff
action = x	x: 'READ' 'WRITE' 'READWRITE' 'UNDEFINED'
blank = x	x: 'NULL' 'ZERO'
delim = x	x: 'APOSTROPHE' 'QUOTE' 'NONE' 'UNDEFINED'
direct = x	x: 'YES' ... Direktzugriff 'NO' ... kein Direktzugriff für diese Datei erlaubt 'UNKNOWN' ... unbekannt
err = x	Bei Fehler Sprung zur Anweisungsnummer x
exist = x	x: .TRUE. ... Datei existiert .FALSE. ... Datei existiert nicht
form = x	x: 'FORMATTED' ... Datei geöffnet für formatierte Datensätze 'UNFORMATED' ... Datei geöffnet für unformatierte Datensätze 'UNDEFINED'
formatted = x	x: 'YES' ... formatierte Datensätze sind erlaubt 'NO' ... formatierte Datensätze sind nicht erlaubt 'UNKNOWN' ... unbekannt
iostat = x	x ist 0 wenn OPEN fehlerfrei ausgeführt wurde, ansonsten eine systemabhängige positive Fehlernummer
name = x	Der Dateiname wird der Zeichenketten-Variablen x zugewiesen. Hat die Datei keinen Namen, dann ist das Ergebnis undefiniert.
named = x	x: .TRUE. ... Datei besitzt Namen .FALSE. ... Datei besitzt keinen Namen
nextrec = x	x ... Nummer des nächsten Datensatzes
number = x	x ... Nummer der mit einer externen Datei verbundenen I/O-Unit.
opened = x	x: .TRUE. ... Datei ist geöffnet .FALSE. ... Datei ist nicht geöffnet
pad = x	x: 'YES' 'NO'
position = x	x: 'REWIND' 'ASIS' 'APPEND' 'UNDEFINED'
read = x	x: 'YES' 'NO' 'UNKNOWN'
readwrite = x	x: 'YES' 'NO' 'UNKNOWN'
recl = x	x ... Datensatzlänge bei Direktzugriff
sequential = x	x: 'YES' ... sequentiell 'NO' ... nicht sequentiell 'UNKNOWN' ... unbekannt
unformatted = x	x: 'YES' ... unformatierte Datensätze sind erlaubt 'NO' ... unformatierte Datensätze sind nicht erlaubt 'UNKNOWN' ... unbekannt
write = x	x: 'YES' 'NO' 'UNKNOWN'

Beispiel: Datei vorhanden?

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none logical :: l integer :: st inquire (file='/tmp/testdatei.txt', exist=l, iostat=st) if (st == 0) then write (*,*) "Datei existiert?", l else write(*,*) "Fehler!" end if ! wenn Datei existiert: Datei existiert? T ! wenn Datei nicht existiert: Datei existiert? F ! wenn aus irgendeinem ein inquire-Fehler auftrat: Fehler! end program bsp

Beispiel: Infos zu einer geöffneten Datei

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none logical  :: ex character (15) :: di, fo, ac, se integer  :: nu, st open (25, file='/tmp/testdatei.txt', status='old', iostat=st) if(st /= 0) stop "open-Fehler!" inquire (25, exist = ex, direct = di, sequential = se, formatted = fo, & access = ac, number = nu, iostat=st) if(st == 0) then write (*,*) 'EXIST? ', ex write (*,*) 'DIRECT? ', di write (*,*) 'SEQUENTIAL? ', se write (*,*) 'FORMATTED? ', fo write (*,*) 'ACCESS? ', ac write (*,*) 'NUMBER? ', nu else write (*,*) "inquire-Fehler!" end if close(25) ! Ausgabe, z.B. ! EXIST? T ! DIRECT? YES ! SEQUENTIAL? YES ! FORMATTED? YES ! ACCESS? SEQUENTIAL ! NUMBER? 25 end program bsp

Interne Dateien

• Interne Dateien sind vom Datentyp character (Zeichen oder Zeichenketten)
• Das Lesen aus bzw. das Schreiben in interne Dateien erfolgt immer sequentiell

Beispiel: Schreiben in eine interne Datei

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp character(15) :: ch real  :: r = 12.5678 ! Interne Datei "ch" write (ch, *) r write (*,*) 'r lexikalisch groesser als Buchstabe "A"? ', lge(ch, 'A') end program bsp

Beispiel: Lesen aus einer internen Datei

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp character(15) :: ch = '12.5678' real  :: r ! Interne Datei "ch" read (ch, '(F15.5)') r write (*,*) 'r = ', r write (*,*) 'r**2 = ', r**2 end program bsp

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Zeiger

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Was sind Zeiger?

Ein Zeiger (Pointer) ist eine Variable, die Adresse und (Daten-)Typ enthält – ähnlich wie bei einem Array, das rank und shape enthält. Der Zeiger (Pointer) charakterisiert Position, Länge und Organisation des Speicherabschnitts, an dem die Variable (Target) gehalten wird.

Zeiger in Fortran 95

In Fortran 95 werden Zeiger durch Zufügen des Attributes pointer bei der Deklaration von Variablen erzeugt.

datentyp, pointer :: variable

Ein so deklarierter Zeiger kann auf andere Zeiger oder auf mittels target gekennzeichnete Variablen verweisen.

datentyp, target :: variable

Die Zeigerzuordnung erfolgt durch das Symbol

=>

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, pointer :: ptr real, target :: trg trg = 5.5 ptr => trg write(*,*) ptr  ! Ausgabe: 5.50000  ! Zeiger werden bei Bedarf automatisch dereferenziert end program bsp

Assoziationsstatus

Ein Zeiger kann einen der folgenden Assoziationzustände annehmen:

• undefiniert (dangling)
• nicht zugeordnet (disassociated, null)
• zugeordnet (associated)

Der Zuordnungsstatus eines Zeigers ist unmittelbar nach der Deklaration undefiniert. Mittels zeiger => null() oder nullify(zeiger) kann ein Zeiger auf einen nicht zugeordneten Status gesetzt werden. Verweist ein Zeiger auf einen anderen zugeordneten Zeiger oder ein Target, so ist sein Zustand zugeordnet.

Der Assoziationsstatus eines Zeigers lässt sich über die Funktion

associated (zeiger [, ziel])

abfragen. Sinnvoll ist eine derartige Abfrage nur dann, wenn der Zuordnungsstatus nicht undefiniert ist.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, pointer  :: ptr1 => null() character(20), pointer :: ptr2 character(20), target  :: str str = "Hallo, Welt!" ptr2 => str write(*,*) associated(ptr1)  ! Ausgabe: F write(*,*) associated(ptr2)  ! Ausgabe: T write(*,*) associated(ptr2, ptr1)  ! Ausgabe: F write(*,*) associated(ptr2, str)  ! Ausgabe: T end program bsp

Speicherplatz dynamisch reservieren und freigeben

Für normale Variablen läuft die Speicherplatzverwaltung automatisch ab. Bisher wurden Zeiger immer solchen normalen (Target)Variablen, für die bereits Speicherplatz reserviert war, zugeordnet. Aber auch für Zeiger selbst kann Speicherplatz reserviert werden. Bei der Zeigerdeklaration ist der Zeigerstatus undefiniert oder nicht zugeordnet. Eine Wertzuweisung an eine solche Zeigervariable würde zur Laufzeit einen Speicherzugriffsfehler ergeben. Die Funktion

allocate (zeiger1, [zeiger2, ...] [,stat=integervar])

reserviert in Abhängigkeit des Zeiger-Datentyps Speicherplatz für die einzelnen Zeiger. Die Funktion

deallocate (zeiger1, [zeiger2, ...] [,stat=integervar])

gibt diesen Speicherplatz wieder frei.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, pointer :: ptr1 => null(), ptr2 => null() integer :: status allocate(ptr1, stat = status) ptr1 = 2222 write (*,*) "Status = ", status  ! Wenn status = 0, dann wurde erfolgreich Speicherplatz reserviert write (*,*) ptr1  ! Ausgabe: 2222 ptr2 => ptr1 ptr1 = 5555 write (*,*) ptr1, ptr2  ! Ausgabe: 5555 5555 deallocate(ptr1) end program bsp

Zeiger und Felder

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension(:), pointer  :: ptr => null() integer, dimension(5:10), target :: arr = (/55, 66, 77, 88, 99, 111/) ptr => arr write(*,*) ptr  ! Ausgabe: 55 66 77 88 99 111 ptr => arr(7:) write(*,*) ptr  ! Ausgabe: 77 88 99 111 end program bsp

Beispiel: "ragged array"

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none type element integer, dimension(:), pointer :: ptr end type element integer, dimension(5), target :: a = (/ 1, 2, 3, 4, 5 /) integer, dimension(2), target :: b = (/ 99, 55 /) integer, dimension(4), target :: c = (/ -11, -12, -13, -14 /) integer  :: i type( element ), dimension(3) :: rarr rarr(1)%ptr => a rarr(2)%ptr => b rarr(3)%ptr => c do i = 1,3 write (*,*) "rarr(", i, "): ", rarr(i)%ptr end do ! Ausgabe ! rarr( 1 ): 1 2 3 4 5 ! rarr( 2 ): 99 55 ! rarr( 3 ): -11 -12 -13 -14 end program bsp

Verkettete Listen

In der Regel ist die Größe einer Liste vor ihrer Erstellung (zum Bsp. durch Einlesen einer Datei) nicht bekannt, was die Verwendung von Array erschwert. Dies lässt sich durch Pointer vereinfachen. Man unterscheidet dabei viele verschiedene Listentypen:

• linear und einfach verkettet: Diese Liste lässt sich nur in eine Richtung durchlaufen und das Ende hat keinen Bezug zum Anfang.
• zyklisch und einfachverkettet: Nur eine Durchlaufrichtung, aber das Ende ist mit dem Anfang verpointert. Nach dem vollständigen Durchlaufen beginnt man wieder am Anfang.
• linear und doppelt verkettet: Lineare Liste, in der jedes Element auf das nächste UND das vorherige zeigt. Der Durchlauf der Liste ist so in zwei Richtungen möglich. Der Anfang ist dabei nicht mit den Ende verpointert.
• zyklisch und doppelt verkettet: Zyklische Liste innerhalb derer zwei Durchlaufrichtungen zur Verfügung stehen.

Die Wahl des Listentyps richtet sich nach dem Verwendungszweck. Einfach verkettete Listen sind auch einfach in der Implementierung. Für den Zugriff entgegen der Durchlaufrichtung muss die Liste jedoch einmal vollständig durchlaufen werden, was den Rechenaufwand und vor allem die Rechenzeit erhöht. Sie eignen sich daher gut für einfache Aufgaben mit gerichteter Abarbeitung. Doppelt verkettete Listen lassen mehr Freiraum hinsichtlich ihr Durchlaufrichtung. Sie sind jedoch komplexer in Ihrer Implementierung und erhöhen den Speicheraufwand.

Anfügen von Listenelementen

Beispiel: Lineare, einfach verkettete Liste (LIFO)

Fortran 90/95-Code (free source form)

module m1 implicit none type node integer :: id character(5) :: value type(node), pointer :: next => null() end type type(node), pointer :: first => null() private ! Auf alle nachfolgenden Anweisungen kann von aussen nicht zugegriffen werden public :: add_node, write_all, free_all ! Auf die Subroutinen add_node, write_all und free_all  ! kann von aussen explizit zugegriffen werden,  ! jedoch nicht auf innerhalb der Subroutinen  ! deklarierte Datentypen contains subroutine add_node(id, str) implicit none integer, intent(in) :: id character(5), intent(in) :: str type(node), pointer :: new, tmp  ! Speicher reservieren allocate(new)  ! Werte setzen new%id = id new%value = str  ! Am Beginn der Liste einfügen if (.not. associated(first)) then first => new else tmp => first first => new first%next => tmp end if end subroutine add_node subroutine write_all() implicit none type(node), pointer :: tmp tmp => first do if (associated(tmp) .eqv. .FALSE.) exit write(*,*)tmp%id, tmp%value tmp => tmp%next end do end subroutine write_all subroutine free_all() implicit none type(node), pointer :: tmp do tmp => first if (associated(tmp) .eqv. .FALSE.) exit first => first%next deallocate(tmp) end do end subroutine free_all end module m1 program bsp use m1 implicit none call add_node (1, "AAAAA") call add_node (2, "BBBBB")  ! ... call add_node (150, "ZZZZZ") call write_all  ! Ausgabe:  ! 150 ZZZZZ  ! 2 BBBBB  ! 1 AAAAA call free_all ! Die verkettete Liste wird wieder freigegeben end program bsp

Beispiel: Zyklische einfach verkettete Liste:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module m1 implicit none private public: ... type node integer :: id character(5) :: value type(node), pointer :: next => null() end type type(node), pointer :: last => null() !externer Zeiger auf die zyklische Liste ...  ! Vergleich oben, subroutine add_node(id, str) subroutine add_node(id, str) implicit none integer, intent(in) :: id character(5), intent(in) :: str type(node), pointer :: new, tmp  ! Speicher reservieren allocate(new)  ! Werte setzen new%id = id new%value = str  ! Listen Elemente werden in Reihenfolge des Einlesen verpointert if (.not. associated(last)) then last => new new%next => new  ! das erste Element muss auf sich selbst zeigen für den zkylus else tmp => last last => new new%next => tmp%next tmp%next => new end if end subroutine ...

Löschen von Listenelementen

Für das Löschen eines Elementes aus einer Liste lässt sich eine kurze Subroutine schreiben, welche die Zeiger neu setzt und das Element löscht. Man kann dabei in einfach verketteten Listen nicht ohne größeren Aufwand das Element löschen, welches soeben in der Liste betrachtet wird, sondern nur das nachfolgende Element.

Fortran 90/95-Code (free source form)

SUBROUTINE del_next(pntr) TYPE(liste),POINTER :: pntr !Subroutine bekommt einen externen Pointer übergeben TYPE(liste),POINTER :: tmp => NULL() tmp => pntr  ! pntr wird in tmp zwischengespeichert pntr => pntr%next  ! pntr wird um zwei Postionen weitergesetzt pntr => pntr%next DEALLOCATE(tmp%next)  ! tmp%next wird gelöscht tmp%next => pntr  ! Verbindung wird neu gesetzt END SUBROUTINE

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Vektoren- und Matrizenrechnung

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In Fortran95 können einige elementare Vektoren- und Matrizenoperationen sehr einfach ausgeführt werden.

Beispiel: Addition und Subtraktion von Vektoren (Matrizen)

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(3) :: a = (/3, 2, -5/), b = (/1, -3, -1/) write(*,*) "a+b: ", a+b  ! Ausgabe: a+b: 4. -1. -6. write(*,*) "a-b: ", a-b  ! Ausgabe: a-b: 2. 5. -4. end program bsp

Beispiel: Multiplikation eines Vektors (einer Matrix) mit einem Skalar

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(3) :: a = (/3, 2, -5/) write(*,*) "3.5*a: ", 3.5*a  ! Ausgabe: 3.5*a: 10.5 7. -17.5 end program bsp

Beispiel: Skalarprodukt

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(3) :: a = (/3, 2, -5/), b = (/1, -3, -1/) real  :: dot_product write(*,*) "a.b: ", dot_product(a, b)  ! Ausgabe: 2 end program bsp

Beispiel: Euklidische Norm eines Vektors $|\mathbf {x} |={\sqrt {\mathbf {x} ^{2}}}={\sqrt {\sum _{i=1}^{n}x_{i}^{2}}}$

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(3) :: x = (/3, 2, -5/) real  :: x_n  ! Norm des Vektors x x_n = sqrt(sum(x**2)) write(*,*) "Die Norm des Vektors (", x, ") beträgt: ", x_n  ! Ausgabe: Die Norm des Vektors ( 3.0 2.0 -5.0 ) beträgt: 6.164414 end program bsp

Beispiel: Matrizenmultiplikation

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(3,2) :: A = reshape( (/3., 2., 1., 1., 1., 2.5/), (/3, 2/) ) real, dimension(2,2) :: B = reshape( (/1., -3., -1., 5./), (/2, 2/) ) real, dimension(3,2) :: C C = matmul(A, B) write(*,*) "Matrix C =" write(*,*) C(1, :) write(*,*) C(2, :) write(*,*) C(3, :)  ! Ausgabe: Matrix C =  ! 0.000000 2.000000  ! -1.000000 3.000000  ! -6.500000 11.50000 end program bsp

Beispiel: Transponierte Matrix

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(2,2) :: A = reshape( (/3., 2., 1., -1.5/), (/2, 2/) ), AT AT = transpose(A) write(*,*) "A =" write(*,*) A(1, :) write(*,*) A(2, :)  ! Ausgabe: A =  ! 3.000000 1.000000  ! 2.000000 -1.500000 write(*,*) "AT =" write(*,*) AT(1, :) write(*,*) AT(2, :)  ! Ausgabe: AT =  ! 3.000000 2.000000  ! 1.000000 -1.500000 end program bsp

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Systemroutinen

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Datum und Zeit

Die Subroutine

date_and_time(datum,zeit)

liefert die Systemzeit in der Form YYYYMMTT und HHMMSS.SSS zurück. datum und zeit sind Character von mindestens 8 bzw. 10 Zeichen Länge.

Die vom Programm verbrauchte Rechenzeit (Prozessorzeit) in Sekunden liefert die Subroutine (zeit ist vom Typ Real)

cpu_time(zeit)

Zufallszahlen

Die Subroutine

random_number(r)

schreibt gleichverteilte Zufallszahlen im Intervall [0,1) in eine Variable r vom Typ Real (Skalar oder Feld). Mit der Subroutine

random_seed()

kann der Zufallszahlengenerator (zufällig) initialisiert werden.

Kommandozeilenargumente

Nicht unbedingt Standard, aber bei etlichen Fortran-Compilern doch als Standardfunktion implementiert, sind die Prozeduren iargc und getarg zum Erfragen der beim Programmstart mitgegebenen Kommandozeilenargumente.

Die Funktion

i = iargc()

liefert die Anzahl der Kommandozeilenargumente. Der Programmname selbst wird dabei nicht mitgezählt.

Die Subroutine

getarg(i, c)

liefert den Wert eines bestimmten Kommandozeilenargumentes. i gibt die Position vor (0 ...Programmname, 1 ... 1.Argument, etc.). Der Parameter c ist vom Typ Character. Dort findet sich nach Abarbeitung der Subroutine der zu i gehörende Wert des Kommandozeilenargumentes.

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Von der modularen zur objektorientierten Programmierung

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Module im Detail

Die Bezeichnung des Schlüsselworts module weist schon darauf hin, dass Fortran 90/95 eine modulare Softwareentwicklung ermöglicht.

Modulare Programmierung

Was ist modulare Programmierung? Modulare Programmierung

Das Modul-Konzept in Fortran 90/95 unterstützt diesen Ansatz vollständig. Das module-Konstrukt gliedert sich schematisch so

module ...

Datenbereich

Methodenbereich

end module ...

Vor dem Datenbereich können noch einige Deklarationen (implicit none, save, etc.) eingefügt sein. Der Methodenbereich wird durch das Schlüsselwort contains angekündigt oder als Interface deklariert. Aber prinzipiell gilt, dass zusammengehörende Daten und die dazugehörenden Methoden (Unterprogramme) in einem Modul zusammengefasst werden.

Zugriffsteuerung

Durch Angabe des Schlüsselworts private lässt sich die Sichtbarkeit von Datenelementen einschränken. Auf solcherart deklarierte Variablen läßt sich außerhalb des Moduls nicht zugreifen. public erlaubt den Zugriff auf entsprechend deklarierte Variablen auch von außerhalb. Zweiteres ist Standardverhalten und das Schlüsselwort public muss somit nicht explizit angegeben werden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module mod_bsp implicit none save ! Datenbereich real, private :: x = 1.2 real  :: y = 9.8 contains ! Methodenbereich real function addX (a) real, intent (in) :: a addX = x + a end function addX end module mod_bsp program bsp use mod_bsp implicit none write (*,*) "Ergebnis1 = ", addX (2.1) write (*,*) "Ergebnis2 = ", y + 2.1 ! Ausgabe: ! Ergebnis1 = 3.300000 ! Ergebnis2 = 11.90000 ! Folgendes geht nicht -> Fehlermeldung: ! write (*,*) "Ergebnis3 = ", x + 2.1 ! 1) x ist private und somit außerhalb des Moduls nicht bekannt ! 2) auch im Hauptprogramm selbst ist kein x deklariert (implicit none, ! es wäre ohnehin nicht die gleiche Variable wie im Modul mod_bsp) end program bsp

Rein formal läßt sich der Zugriff auf die Daten und/oder Methoden eines Moduls (module procedures) auch auf andere Arten einschränken, z.B.

module mod_bsp
  implicit none
  save
 
  private :: x  ! , .... 

  real :: x = 1.2, y = 9.8
! ...
 

oder

module mod_bsp
  implicit none
  save
 
  private 
  public :: y, addX  ! , ...

  real :: x = 1.2, y = 9.8
! ...

Datenkapselung, COMMONS-Ersatz: Module als Datenbereich

Module als reinen Datenbereich zu nutzen ist vor allem dann interessant, wenn aus mehreren Programmeinheiten auf die gleichen Daten zugegriffen werden muss, jedoch die zugreifenden Unterprogramme nicht wirklich modulspezifisch sind und dementsprechend nicht als Bestandteil des Moduls angelegt werden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module konstanten real, parameter :: PI = 3.141593 real, parameter :: E = 2.718282 end module konstanten ! Hauptprogramm program bsp use konstanten implicit none real :: kreisflaeche write(*,*) 'PI = ', PI write(*,*) 'E = ', E write(*,*) 'Kreisflaeche fuer r=2.1 = ', kreisflaeche(2.1) call calcPiMalE end program bsp ! Unterprogramm 1 real function kreisflaeche(r) use konstanten implicit none real, intent (in) :: r kreisflaeche = r**2 * PI end function kreisflaeche ! Unterprogramm 2 subroutine calcPiMalE() use konstanten implicit none write (*,*) 'PI * E = ', PI * E end subroutine calcPiMalE ! Ausgabe: ! PI = 3.141593 ! E = 2.718282 ! Kreisflaeche fuer r=2.1 = 13.85442 ! PI * E = 8.539735

Datenabstraktion: Zusammenfassung von Daten und Methoden in einem Modul

Sind Daten und Unterprogramme als zusammengehörend zu betrachten, so ist es sinnvoll diese auch gemeinsam in einem Modul abzulegen. Ein Vorteil dabei ist, dass somit die Zugriffssteuerung gezielt eingesetzt werden kann. Moduldaten, die nicht von außerhalb des Moduls geändert werden dürfen, werden als private deklariert. Der Zugriff auf diese Daten kann dann nur noch mittels Methoden des Moduls erfolgen.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module kreis implicit none save real, parameter :: PI = 3.141593 real, private  :: r = 0.0 contains subroutine setR(val) real, intent(in) :: val r = val end subroutine setR real function getR() getR = r end function getR real function kreisflaeche() kreisflaeche = r**2 * PI end function kreisflaeche end module kreis ! Hauptprogramm program bsp use kreis implicit none call setR(5.0) write (*,*) "r = ", getR() write (*,*) "Flaeche = ", kreisflaeche() call sub1(5.0) end program bsp ! Unterprogramm subroutine sub1(val) use kreis implicit none real, intent(in) :: val call setR(val*2.56) write (*,*) "r = ", getR() write (*,*) "Flaeche = ", kreisflaeche() end subroutine sub1 ! Ausgabe: ! r = 5. ! Flaeche = 78.539825 ! r = 12.799999 ! Flaeche = 514.7185

Modul und Datenverbund

Das Schlüsselwort private darf in einem Datenverbund nur in Verbindung mit einem Modul Anwendung finden. Einerseits kann die Sichtbarkeit aller Variablen im Datenverbund eingeschränkt werden. Anderseits kann auch der Datenverbund selbst als private deklariert werden. Ein Zugriff auf derart deklarierte Datenelemente ist dann nur noch durch Unterprogramme des gleichen Moduls möglich. Standardmäßig sind sowohl Datenverbund als auch seine Einzelkomponenten, so wie alle anderen nicht zugriffsbeschränkten Datenelemente, in einem Modul öffentlich (public).

Beispiel: Öffentlicher Datenverbund

Fortran 90/95-Code (free source form)

module mod1 save type :: tripel real:: x, y, z end type tripel end module mod1 program bsp use mod1 implicit none type(tripel) :: tr = tripel(10.5, 0.0, -6.5) write(*, *) tr ! Ausgabe: ! 10.5 0.0 -6.5 end program bsp

Beispiel: Öffentlicher Datenverbund mit privaten Datenelementen

Fortran 90/95-Code (free source form)

module mod1 save type :: tripel private real:: x, y, z end type tripel contains subroutine createTripel(this, valX, valY, valZ) type(tripel)  :: this real, intent(in) :: valX, valY, valZ this%x = valX this%y = valY this%z = valZ end subroutine createTripel subroutine writeTripel(this) type(tripel) :: this write(*,*) this end subroutine writeTripel end module mod1 program bsp use mod1 implicit none type(tripel) :: tr call createTripel(tr, 10.5, 0.0, -6.5) call writeTripel(tr) ! Ausgabe: ! 10.50000 0.000000 -6.500000 end program bsp

Beispiel: Privater Datenverbund

Fortran 90/95-Code (free source form)

module mod1 save type, private :: tripel real :: x = 0.0, y=0.0, z=0.0 end type tripel type(tripel), private :: t contains subroutine changeTripel(valX, valY, valZ) real, intent(in) :: valX, valY, valZ t = tripel(valX, valY, valZ) end subroutine changeTripel subroutine writeTripel() write (*,*) t end subroutine writeTripel end module mod1 program bsp use mod1 implicit none ! Hier könnte z.B. keine Variable vom Typ "triple" angelegt werden, da in dieser PE nicht ! sichtbar (privater Datenverbund des Moduls mod1) call writeTripel ! Ausgabe: ! 0.0 0.0 0.0 call changeTripel(10.5, -5.0, -3.5) call writeTripel ! Ausgabe: ! 10.5 -5. -3.5 call unterprogramm ! Ausgabe: ! 10.5 -5. -3.5 end program bsp subroutine unterprogramm use mod1 call writeTripel end subroutine unterprogramm

Dieses Beispiel scheint auf den ersten Blick im Gegensatz zu den beiden vorherigen Varianten unnötige Einschränkungen aufzuweisen. Im Haupt- und Unterprogramm können keine Variablen des Typs tripel angelegt werden. Im Modul wird immer auf die gleiche Variable t zugegriffen. Das gewählte Beispiel könnte somit als Singleton beschrieben werden. Es ist außerhalb des Moduls sichergestellt, dass immer nur ein Tripel existiert. Singletons werden auch in der objektorientierten Softwareentwicklung verwendet. Daneben sind auch andere Situationen vorstellbar, in denen sich das Konzept eines privaten Datenverbunds als nützlich erweisen kann.

Die Schnittstelle: Das Modul als Unterprogrammbibliothek

Ein Modul kann als Sammelstelle für Unterprogramme dienen - quasi eine Bibliothek für häufig und in verschiedenen Kontexten benötigte Prozeduren.

Vorteile:

• Ordnung
• Modul kann in eine eigenständige Datei ausgelagert werden.
• Parameter-Datentypüberprüfung.

Beispiel: Parameter-Datentypüberprüfung

ohne Modul	mit Modul
program bsp implicit none integer :: zahl = 5 call unterprogramm(zahl) end program bsp subroutine unterprogramm(a) implicit none real, intent(in) :: a write (*,*) a end subroutine unterprogramm	module test contains subroutine unterprogramm(a) implicit none real, intent(in) :: a write (*,*) a end subroutine unterprogramm end module test program bsp use test implicit none integer :: zahl = 5 call unterprogramm(zahl) end program bsp
gfortran und ifort compilieren dieses Programm ohne Warnhinweis. Der g95 liefert in diesem Fall zumindest eine Warnung, compiliert jedoch auch das Programm. Die Datenausgabe zur Programmlaufzeit liefert jeweils einen fehlerhaften Wert.	Bereits beim Compilieren tritt eine Fehlermeldung auf, z.B. bei g95: In file ....f90:20 call unterprogramm(zahl) 1 Error: Type mismatch in parameter 'a' at (1). Passing INTEGER(4) to REAL(4) Das Programm lässt sich so nicht compilieren.

Der Schnittstellenblock: interface

Fortran 90/95 kennt das Sprachkonstrukt interface, welches sich in vielerlei Hinsicht nutzbringend verwenden läßt. Schnittstellenblöcke sind modulunabhängig verwendbar.

interface [name] [interface-Spezifikationsteil] end interface [name]

Der interface-Spezifikationsteil beinhaltet nur diejenigen Informationen, die für die Deklaration der Schnittstelle relevant sind (z.B. Unterprogrammbezeichnung, Variablendeklaration). Die genaue Festlegung der Unterprogramme (inkl. Ausführungsteil) erfolgt dann außerhalb des Schnittstellenblocks. Ein wesentliches Merkmal des Schnittstellenblocks ist die penible Überprüfung der Unterprogrammparameterdatentypen, so wie das auch beim Einsatz von Modulen geschieht.

Beispiel: Parameter-Datentypüberprüfung

ohne Schnittstellenblock	mit Schnittstellenblock
program bsp implicit none integer :: zahl = 5 call unterprogramm(zahl) end program bsp subroutine unterprogramm(a) implicit none real, intent(in) :: a write (*,*) a end subroutine unterprogramm	program bsp implicit none integer :: zahl = 5 interface subroutine unterprogramm(a) real, intent(in) :: a end subroutine unterprogramm end interface call unterprogramm(zahl) end program bsp subroutine unterprogramm(a) implicit none real, intent(in) :: a write (*,*) a end subroutine unterprogramm
gfortran und ifort compilieren dieses Programm ohne Warnhinweis. Der g95 liefert in diesem Fall zumindest eine Warnung, compiliert jedoch auch das Programm. Die Datenausgabe zur Programmlaufzeit liefert jeweils einen fehlerhaften Wert.	Bereits beim Compilieren tritt eine Fehlermeldung auf, z.B. bei gfortran: In file ....f90:15 call unterprogramm(zahl) 1 Error: Type/rank mismatch in argument 'a' at (1) Das Programm lässt sich so nicht compilieren.

Generische Unterprogrammschnittstelle

Fortran 90/95 ermöglicht generische Methoden. Die im Schnittstellenblock deklarierten Unterprogramme können damit über den gleichen Unterprogrammnamen aufgerufen werden. Intern erfolgt dann der Aufruf des jeweils passenden Unterprogramms durch die Unterschiede der Datentypen der Unterprogrammparameter. Mittel zum Zweck ist der benannte Schnittstellenblock.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface gensub subroutine writeReal(val) real, intent(in) ::val end subroutine writeReal subroutine writeInteger(val) integer, intent(in) ::val end subroutine writeInteger subroutine writeCharacter(val) character, intent(in) :: val end subroutine writeCharacter end interface gensub call gensub(5.5) call gensub(3) call gensub("H") call writeCharacter("X") ! Ausgabe: ! Real-Wert = 5.500000 ! Integer-Wert = 3 ! Zeichen = H ! Zeichen = X end program bsp subroutine writeReal(val) real, intent(in) ::val write (*,*) "Real-Wert = ", val end subroutine writeReal subroutine writeInteger(val) integer, intent(in) ::val write (*,*) "Integer-Wert = ", val end subroutine writeInteger subroutine writeCharacter(val) character, intent(in) ::val write (*,*) "Zeichen = ", val end subroutine writeCharacter

Operatorüberladung

Fortran 90/95 verwendet von Haus aus Operatorüberladung. So können z.B. Variablen arithmetischen Datentyps einfach miteinander addiert werden:

c = a + b

Dieser Ausdruck funktioniert unabhängig davon, ob die Variablen vom Typ Ganzzahl oder Gleitkommzahl sind. Und auch für Felder funktioniert diese einfache Form der Addition. Die einzelnen Feldkomponenten werden korrekt addiert. Das ist in anderen Programmiersprachen nicht selbstverständlich. Zusätzlich kann in Fortran 90/95 auch der Programmierer mit Hilfe von Schnittstellenblöcken sogenannte defined operations festlegen.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface operator (.PLUS.) function charAdd(c1, c2) character, intent(in) :: c1, c2 character(len=2)  :: charAdd end function charAdd end interface operator (.PLUS.) ! "Addition" mittels definiertem .PLUS.-Operator write (*,*) "c1 .PLUS. c2 = ", "A" .PLUS. "B" ! oder auch mittels Funktion write (*,*) "charAdd () = ", charAdd("A", "B") ! Ausgabe: ! c1 .PLUS. c2 = AB ! charAdd () = AB end program bsp function charAdd(c1, c2) implicit none character, intent(in) :: c1, c2 character(len=2)  :: charAdd charAdd = c1 // c2 end function charAdd

Beispiel: nur mit gfortran compilierbar, nicht mit g95 oder ifort

Fortran 90/95-Code (free source form)

module mod type :: tripel real x, y, z end type end module mod program bsp use mod implicit none interface operator (*) function tripelMult(t1, t2) type(tripel), intent(in) :: t1, t2 type(tripel)  :: tripelMult end function tripelMult end interface operator (*) ! Multiplikation mittels überladenem *-Operator write (*,*) "t1 * t2 =", tripel(2.0, 3.0, 4.0) * tripel(1.5, 0.5, 2.0) ! oder auch mittels Funktion write (*,*) "tripelMult () =", tripelMult(tripel(2.0, 3.0, 4.0), tripel(1.5, 0.5, 2.0)) ! Ausgabe: ! t1 * t2 = 3.000000 1.500000 8.000000 ! tripelMult () = 3.000000 1.500000 8.000000 end program bsp function tripelMult(t1, t2) use mod implicit none type(tripel), intent(in) :: t1, t2 type(tripel)  :: tripelMult tripelMult = tripel(t1%x * t2%x, t1%y*t2%y, t1%z*t2%z) end function tripelMult

Bei der Verwendung von defined operations sind jedoch einige Bedingungen zu beachten.

Neben den defined operations (interface operator) gibt es auch noch defined assignments (interface assignment) für die Überladung des Zuweisungsoperators.

Schnittstellenblock und Modul

Beim vorigen Beispiel bestand das Problem, dass nur einer der getesteten Compiler eine ausführbare Datei zu Stande brachte. Abhilfe schaffen kann die Verlagerung des Schnittstellenblocks in das Modul unter Zuhilfenahme von module procedure.

Beispiel: Diesen Programmcode schlucken sowohl gfortran, g95 als auch ifort problemlos

Fortran 90/95-Code (free source form)

module mod type :: tripel real x, y, z end type interface operator (*) module procedure tripelMult end interface operator (*) contains function tripelMult(t1, t2) implicit none type(tripel), intent(in) :: t1, t2 type(tripel)  :: tripelMult tripelMult = tripel(t1%x * t2%x, t1%y*t2%y, t1%z*t2%z) end function tripelMult end module mod program bsp use mod implicit none ! Multiplikation mittels überladenem *-Operator write (*,*) "t1 * t2 =", tripel(2.0, 3.0, 4.0) * tripel(1.5, 0.5, 2.0) ! oder auch mittels Funktion write (*,*) "tripelMult () =", tripelMult(tripel(2.0, 3.0, 4.0), tripel(1.5, 0.5, 2.0)) ! Ausgabe: ! t1 * t2 = 3.000000 1.500000 8.000000 ! tripelMult () = 3.000000 1.500000 8.000000 end program bsp

Unterprogramme: Die Übergabe optionaler und benannter Parameter

Der Einsatz optionaler Parameter wurde bereits im Kapitel Unterprogramme abgehandelt. Zusätzlich unterstützt Fortran 90/95 auch die Verwendung von benannten Parametern (argument keywords). Dazu ist es erforderlich, dass das Unterprogramm ein explizites Interface aufweist, wie das z.B. bei Einbindung von Unterprogrammen in Module automatisch der Fall ist.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module m1 contains subroutine abc( var1, var2 ) implicit none integer, intent( in ) :: var1, var2 write( *, * ) var1, var2 end subroutine abc end module m1 program bsp use m1 implicit none call abc( 12, 99 ) call abc( var2 = 99, var1 = 12 ) call abc( var2 = 12, var1 = 99 ) call abc( 12, var2 = 99 ) ! call abc( var1 = 12, 99 )  ! so funktioniert das nicht ! Ausgabe: ! 12 99 ! 12 99 ! 99 12 ! 12 99 end program bsp

Sonstiges

• use modulbezeichnung, only : modulelemente
• use modulbezeichnung => bezeichnung

Objektorientierte Programmierung

Modulares Programmieren reißt heutzutage niemanden mehr vom Hocker und selbst objektorientierte Konzepte sind seit spätestens Ende der 80-Jahre des vergangenen Jahrhunderts Stand der Technik. Im akademischen Bereich waren diese Dinge natürlich schon früher bekannt. Fortran hat in diesem Bereich also nie eine Vorreiterrolle inne gehabt. Nach jeweils kurzen Nachdenkphasen haben aber die Fortran-Leute unerschrocken auch in diesem Bereich nachgezogen.

Fortran bildet also aufgrund seiner langen Geschichte ein weites Spektrum der Programmierparadigmen ab: vom prozeduralen Programmieren (FORTRAN 77) über das modulare Programmieren (Fortran 90/95) hin zum objektorientierten Programmieren (Fortran 2003).

Fortran 90/95 ist keine typisch objektorientierte Sprache. Trotzdem lässt sich mit den modularen Spracheigenschaften von Fortran 90/95 bereits in weiten Bereichen Objektorientierung simulieren beziehungsweise nachbauen. Aber erst mit Fortran 2003 lässt sich wirklich komfortabel objektorientiert programmieren. Diese Fortran-Version wirbt dann auch „offiziell“ mit diesem Merkmal.

Welche Eigenschaften verbindet man typischerweise mit Objektorientierung? Da wären

1. Klassen - Datenkapselung und Datenabstraktion
2. Objekte
3. Vererbung
4. Statische Polymorphie: Überladen von Funktionen (und Operatoren)
5. Run-Time-Polymorphie

Welche dieser Merkmale bietet Fortran 90/95 von Haus aus und was läßt sich relativ einfach nachbauen?

Klassen - Datenkapselung und Datenabstraktion

Was ist eine Klasse?

• Klasse (objektorientierte Programmierung)
• Klasse (UML)

Ein Fortran 90/95-Modul sieht sehr ähnlich aus wie eine Klasse in der objektorientierten Programmierung und ist dementsprechend auch Ausgangspunkt für den objektorientierten Ansatz in Fortran 90/95.

Klasse	Fortran 90/95
Klassenbezeichner Datenbereich (Attribute) Methodenbereich (Operationen)	module ...  ! Datenbereich contains  ! Methodenbereich end module ...

Einen grundlegenden Mechanismus zum Schreiben objektorientierter Programme stellt Fortran 90/95 somit in Form der Module zur Verfügung. Jetzt stellt sich aber die Frage, wie diese Klasse instantiiert werden soll. Das wird im Abschnitt Objekte gezeigt.

Objekte

Was sind Objekte? Objekt (Programmierung)

Ein einfaches Modul mit ein paar konventionellen Datenelementen und Prozeduren ist noch keine Klasse, aus der Objekte zu erzeugen wären. Dazu bedarf es noch eines Unterscheidungskriteriums zwischen den einzelnen Objekten. Dieses Unterscheidungskriterium kann, wie auch schon früher im Teilkapitel Modul und Datenverbund gezeigt, mittels Datenverbund hergestellt werden. Die Objekte werden somit nicht über den Modulnamen als Klasse angesprochen, sondern über die Datenverbund-Bezeichnung. Auch das ist keine neue Erkenntnis, sondern eine geschickte Ausnutzung eines Mechanismus, den Fortran 90/95 standardmäßig mit Modulen und Datenverbund zur Verfügung stellt.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module tripelClass implicit none save type :: tripel real:: x, y, z end type tripel contains subroutine write(this) type(tripel), intent(in) :: this write(*, *) "********** Tripel **********" write(*, *) this end subroutine end module tripelClass program bsp use tripelClass implicit none type(tripel) :: obj1 = tripel(1.5, 0.0, -6.5) type(tripel) :: obj2 = tripel(2.5, 1.0, -4.5) type(tripel) :: obj3 = tripel(3.5, 2.0, -2.5) call write(obj1) call write(obj2) call write(obj3) ! Ausgabe: ! ********** Tripel ********** ! 1.500000 0.000000 -6.500000 ! ********** Tripel ********** ! 2.500000 1.000000 -4.500000 ! ********** Tripel ********** ! 3.500000 2.000000 -2.500000 end program bsp

Weitere wichtige Elemente beim Erzeugen und Zerstören von Objekten sind in der OOP die sogenannten Konstruktoren und Destruktoren.

Was sind Konstruktoren und Destruktoren? Konstruktoren und Destruktoren

Konstruktoren und Destruktoren kennt Fortran 90/95 natürlich nicht. Im Bedarfsfall sind diese Elemente also mittels konventioneller Unterprogramme nachzubilden und dann jeweils explizit in den entsprechenden Programmabschnitten, nach Erzeugung beziehungsweise beim Abbau des jeweiligen Objektes, manuell aufzurufen.

Vererbung

Was ist Vererbung? Vererbung (Programmierung)

Das OOP-Prinzip „Vererbung“ ist in Fortran 90/95 nur über Umwege realisierbar. Fortran 90/95 kennt konzeptionsbedingt für diesen Zweck keinen einfachen programmtechnischen Mechanismus. Nachfolgend wird anhand eines kleinen und überschaubaren Beispiels eine mögliche Lösung demonstriert.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module tripelClass implicit none save type :: tripel real:: x, y, z end type tripel contains subroutine write(this) type(tripel), intent(in) :: this write(*, *) "********** Tripel **********" write(*, *) this end subroutine end module tripelClass module coordClass use tripelClass implicit none save type :: coord type(tripel) :: tr integer  :: id end type contains subroutine constructCoord(this, t, i) implicit none type(coord), intent(out) :: this type(tripel), intent(in) :: t integer  :: i this%tr = t this%id = i end subroutine constructCoord subroutine writeCoord(this) implicit none type(coord), intent(in) :: this write(*, "(A, I5, A)") "******************* KOORDINATE ", this%id, " *******************" call write(this%tr) end subroutine writeCoord end module coordClass program bsp use coordClass implicit none type(coord) :: obj1 = coord(tripel(1.5, 0.0, -6.5), 1005) type(coord) :: obj2 = coord(tripel(2.5, 1.0, -4.5), 1006) type(coord) :: obj3 = coord(tripel(3.5, 2.0, -2.5), 1007) call writeCoord(obj1) call writeCoord(obj2) call writeCoord(obj3) ! Ausgabe: ! ******************* KOORDINATE 1005 ******************* ! ********** Tripel ********** ! 1.500000 0.000000 -6.500000 ! ******************* KOORDINATE 1006 ******************* ! ********** Tripel ********** ! 2.500000 1.000000 -4.500000 ! ******************* KOORDINATE 1007 ******************* ! ********** Tripel ********** ! 3.500000 2.000000 -2.500000 end program bsp

Statische Polymorphie: Überladen von Funktionen (und Operatoren)

Das Überladen von Funktionen und Operatoren unterstützt Fortran 90/95 wiederum standardmäßig. Diese Konzepte wurden schon in den Abschnitten

• Generische_Unterprogrammschnittstelle
• Operatorüberladung und
• Schnittstellenblock und Modul

kurz erläutert.

Run-Time-Polymorphie

Polymorphie zur Laufzeit eines Programmes ist mit den Mitteln von Fortran 90/95 nur einigermaßen aufwendig und kompliziert nachzubauen, jedoch prinzipiell möglich. Es sei zu diesem Thema auf die weiterführende Literatur verwiesen.

Ausblick

Sind die Methoden zur Nachbildung objektorientierter Mechanismen auch in Fortan 2003 verwendbar? Prinzipiell schon, jedoch bietet Fortran 2003 bessere und erweiterte Möglichkeiten zur Behandlung dieses Themas. Dort wurde nämlich das Prinzip des Datenverbunds wesentlich erweitert. Ein type-Block kann dann neben den Datenelementen auch Unterprogramme beinhalten, das Schlüsselwort extends zwecks Vererbungmechanismus ist vorhanden, etc. Das in Fortran 90/95 als Datenbund/Struktur verwendbare type-Konstrukt wurde also in Fortran 2003 zu einer Klasse, ähnlich wie es in anderen Programmierspachen unter der Bezeichnung class bekannt ist, aufgerüstet.

Literatur

Quellen

• Decyk: Scientific Computing with Fortran
• Gray, Roberts: Object-Based Programming in Fortran 90

Weiterführende Literatur

• Decyk, Norton, Szymanski: Introduction to Object-Oriented Concepts Using Fortran90, 1996
• Decyk, Norton, Szymanski: How to Express C++ Concepts in Fortran90. 1997
• Decyk, Norton, Szymanski: How to Support Inheritance and Run-Time Polymorphism in Fortran90, 1998
• Decyk, Norton: A Simplified Method for Implementing Run-Time Polymorphism in Fortran95, 2004
• Decyk, Gardner: Object-Oriented Design Patterns in Fortran95, 2006

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Offizielle Fortran 95-Erweiterungen

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Hier sind jene ISO/IEC-Standards angeführt, die nicht Teil des Original-Fortran 95-Standards sind, sondern erst später als offizielle Fortran 95-Erweiterungen formuliert wurden. Etliche Fortran 95-Compiler bieten diese Features derzeit noch nicht oder nur teilweise.

Zeichenketten variabler Länge

• Offizielle Bezeichnung: Fortran, Part 2, Varying length character strings
• Standards:
  • ISO/IEC 1539-2 : 1994
  • ISO/IEC 1539-2 : 2000
• Referenzmodul-Download-Adressen:
  • Sample_Module iso_vst.f95 (pointer-Variante) - programmiert in Standard-Fortran 95 und daher portabel
  • Sample_Module iso_vsta.f95 (allocatable-Variante) - verwendet Sprachmittel gem. Fortran 95-Erweiterung ISO/IEC TR 15581 : 1999 bzw. 2001 (enhanced data type facilities). Dieses Modul soll effizienter als iso_vst.f95 sein und Speicherlecks vermeiden

Diese Fortran 95-Erweiterung ermöglicht in einfacher Weise das Arbeiten mit Zeichenketten variabler Länge. Die notwendigen Datenelemente und Funktionen sind im Modul iso_varying_string hinterlegt. Die nötigen Programmabläufe zur dynamische Anpassung des jeweils erforderlichen Speicherplatzes übernehmen somit die Unterprogramme dieses Moduls. Eine explizite Begrenzung der maximalen Zeichenkettenlänge ist nicht vorgesehen. Einschränkungen ergeben sich nur durch Hardwarerestriktionen bzw. die Programmkomplexität.

In den getesteten aktuellen Fortran 95-Compilern (gfortran, g95 und ifort) ist mit Stand 01.01.2007 diese Funktionalität noch nicht inkludiert. Zur Nutzung dieses Features mit diesen Compilern ist deshalb der Download und die Einbindung einer der o.a. Moduldateien erforderlich (oder man schreibt selbst ein entsprechendes standardkonformes Modul).

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use iso_varying_string implicit none type( varying_string ) :: str str = "Wiki" write (*,*) len(str) write (*,*) char(str) str = str // "books" write (*,*) len(str) write (*,*) char(str) ! Ausgabe ! 4 ! Wiki ! 9 ! Wikibooks end program bsp

Compilieren, Linken:

gfortran -o bsp iso_vsta.f95 bsp.f90

Prinzipiell gelten für Zeichenketten mit variabler Länge die gleichen generisch-intrinsischen Funktionsbezeichner wie für normale Zeichenketten. Auch Stringkonkatenation, Zuweisung und Vergleichsoperationen sind wie gewohnt erlaubt. Zuätzlich kommen noch einige neue Funktionen hinzu:

Funktionsbezeichner	Kommentar
var_str	Datentypkonvertierung. character → varying_string
get, put, put_line	I/O
insert	Einfügen eines Teilstrings
replace	Ersetzen eines Teilstrings
remove	Entfernen eines Teilstrings
extract	Extrahierung eines Teilstrings
split	Einen String in zwei Strings splitten.

Bedingte Compilierung

• Standard: ISO/IEC 1539-3 : 1998. Conditional Compilation

Mannigfaltig sind die Gründe, welche den Einsatz bedingter Compilierung (conditional compilation, Kurzform: coco) erstrebenswert erscheinen lassen. Seien es die unterschiedlichen Betriebssystemkonventionen zur Vergabe von Pfad- und Dateinamen, unterschiedliche Anforderungen an Entwickler- und Releaseversionen eines Programmes oder auch spezielle internationale Marktbedürfnisse, die Programmvarianten erfordern. All diese Bedürfnisse und noch viel mehr kann coco befriedigen.

Weder g95, noch gfortran oder ifort bieten bisher von Haus aus die Möglichkeit zur "conditional compilation". Es gibt aber externe Tools zur ISO/IEC 1539-3, die als Präprozessor fungieren können und somit das gewünschte Verhalten erzeugen, z.B. das Programm coco.

Beispiel:

Die Datei bsp.fpp:

?? integer, parameter :: varianteA = 1, varianteB = 2
?? integer :: flag = 1
program bsp
?? if ( flag == varianteA ) then
   write (*,*) "Variante A"
?? else if (flag == varianteB) then
   write (*,*) "Variante B"
?? endif  
end program bsp

mit der Set-Datei bsp.set:

?? integer :: flag = 2
?? alter: delete

ergibt nach einem Präprozessorlauf coco bsp folgendes Fortran-Programm bsp.f90

program bsp
   write (*,*) "Variante B"
end program bsp

Beispiel:

Wird die coco-Anweisung alter: delete in der Set-Datei weggelassen, so werden die überflüssigen Zeilen nicht gelöscht, sondern nur auskommentiert (shift). Standardmäßig entspricht dies beim coco-Präprozessor einer alter: shift3-Set-Anweisung (!?>). Die Set-Datei bsp.set

?? integer :: flag = 2

würde mit der obigen bsp.fpp-Datei nach einem coco bsp also diesen Fortran-Code liefern

!?>?? integer, parameter :: varianteA = 1, varianteB = 2
!?>?? integer :: flag = 1
program bsp
!?>?? if ( flag == varianteA ) then
!?>   write (*,*) "Variante A"
!?>?? else if (flag == varianteB) then
   write (*,*) "Variante B"
!?>?? endif
end program bsp
!?>?? This was produced using the following SET file
!?>?? integer :: flag = 2

Floating-point Exceptions

• Standard: ISO/IEC TR 15580 : 1998. Floating-point exception handling

Im Fortran 2003-Standard sind Module betreffend IEEE 754-Standard (IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic) enthalten. Näheres dazu wird im Fortran 2003-Kapitelabschnitt Die intrinsischen IEEE-Module beschrieben.

Allocatable Components

• Standard: ISO/IEC TR 15581 : 1999. Enhanced data type facilities

Diese Erweiterung bezieht sich auf das Schlüsselwort allocatable. In Standard-Fortran 90/95 ist die dynamische Allokation von Speicherplatz für Felder mit dem Attribut allocatable eigentlich nur in einem lokalen Kontext möglich. Der Technical Report 15581 fordert, dass solche Felder darüber hinaus auch in den Anwendungsbereichen

• Rückgabewert von Funktionen
• Unterprogrammparameter
• Feldelemente in Datenverbunden

uneingeschränkt verwendbar sein sollen.

Die Enhanced Data Type Facilities werden bereits standardmäßig vom aktuellen g95-, gfortran-, ifort- und Sun-Fortran-Compiler unterstützt.

Beispiel: Rückgabewert

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none write ( *, * ) fun_all( 5 ) write ( *, * ) fun_all( 7 ) ! Ausgabe: ! 1 2 3 4 5 ! 1 2 3 4 5 6 7 contains function fun_all( n ) implicit none integer, dimension( : ), allocatable :: fun_all integer, intent( in )  :: n integer  :: j, st allocate( fun_all( n ), stat = st ) if( st == 0 ) then forall( j = 1 : n ) fun_all(j) = j end forall else write( *, * ) "Allocate-Fehler" end if end function fun_all end program bsp

Beispiel: Unterprogrammparameter

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer, dimension( : ), allocatable :: dynarr integer  :: j allocate( dynarr( 3 ) ) forall( j = 1 : 3 ) dynarr( j ) = j * 2 end forall call fun_all( dynarr ) write( *, * ) "Out: ", dynarr deallocate( dynarr ) allocate( dynarr( 5 ) ) forall( j = 1 : 5 ) dynarr( j ) = j * 3 end forall call fun_all( dynarr ) deallocate( dynarr ) ! Ausgabe: ! Argument: 2 4 6 ! (De)Allocate im UP: 88 99 ! Out: 88 99 ! Argument: 3 6 9 12 15 ! (De)Allocate im UP: 88 99 contains subroutine fun_all( a ) implicit none integer, dimension( : ), allocatable, intent( inout ) :: a write( *, * ) "Argument:", a deallocate( a ) allocate( a (2) ) a(1) = 88 a(2) = 99 write( *, * ) "(De)Allocate im UP:", a end subroutine fun_all end program bsp

Mit Standard-Fortran 90/95 könnten sie zwar das allozierte Feld als Parameter aus dem Hauptprogramm an das Unterprogramm übergeben, dort wäre es aber nicht als allocatable kennzeichenbar und somit im Unterprogramm nicht in der gezeigten Art und Weise (de)allozierbar. Mittels Standardkonformitäts-Compileroptionen, z.B.

• Intel Fortran Compiler: -stand
• g95, gfortran: -std=f95

ist überprüfbar, welche Möglichkeiten Standard-Fortran 95 bietet und welche Eigenschaften den Erweiterungen zuschreibbar sind.

Beispiel: allocatable array im Datenverbund

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none type struktur integer  :: nr integer, dimension( : ), allocatable :: arr end type struktur type( struktur ) :: a1, a2 allocate( a1%arr( 5 ) ) allocate( a2%arr( 2 ) ) a1%nr = 9453 a1%arr(1) = 1 a1%arr(5) = 5 a2%nr = 9454 a2%arr(1) = 11 a2%arr(2) = 22 write ( *, * ) "a1 =" , a1%nr, a1%arr write ( *, * ) "a2 =", a2%nr, a2%arr ! Ausgabe: ! a1 = 9453 1 0 0 0 5 ! a2 = 9454 11 22 end program bsp

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Programmaufbau

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Programmaufbau und Zeilenformat

Der grundlegende Programmaufbau und das Zeilenformat von Fortran 90/95 wurden in Fortran 2003 beibehalten. Neben der free source form ist aus Kompatibilitätsgründen auch noch immer die alte, aus FORTRAN 77 bekannte, fixed source form gültig.

Eine Zeile darf auch in Fortran 2003 bei Verwendung der free source form standardmäßig maximal 132 Zeichen beinhalten. Ein symbolischer Name darf nun höchstens 63 Zeichen lang sein. Eine Anweisung darf sich maximal über 256 Zeilen erstrecken. Das Zeilenfortsetzungszeichen ist wie in Fortran 90/95 das Kaufmanns-Und: &.

Zeichenvorrat

Der Fortran 2003-Zeichenvorrat wurde gegenüber Fortran 90/95 erweitert:

Großbuchstaben:	A bis Z
Kleinbuchstaben:	a bis z
Ziffern:	0 bis 9
FORTRAN 77-Sonderzeichen:	+ - * / = ( ) : , . ' $ und Leerzeichen
Fortran 90/95-Sonderzeichen:	_ ! ? " & ; < >
Fortran 2003-Sonderzeichen:	\ [ ] { } ~ ` ^ | # @
FORTRAN 77 neu bei Fortran 90/95 neu bei Fortran 2003

Anwendungsgebiet der neu hinzugekommenen Zeichen

Von den in Fortran 2003 neu zugefügten Zeichen haben nur die eckigen Klammern einen konkreten Anwendungsbereich als Kennzeichnung von Feldkonstruktoren. Ein Feldkonstruktor darf neben der aus Fortran 95 bekannten Form

(/ werte /)

nun auch mit eckigen Klammern geschrieben werden

[ werte ]

Beispiel:

Fortran 2003-Code

! bsp.f03 program bsp implicit none integer, dimension( 3 ) :: a = [ 20, 33, 55 ] integer, dimension( 2 ) :: b = (/ 44, 55 /) write( *, *) a write( *, *) b ! Ausgabe: ! 20 33 55 ! 44 55 end program bsp

Kompilieren, linken:

g95 -o bsp bsp.f03

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Datentypen

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Intrinsische Datentypen

Die aus Fortran 90/95 bekannten intrinsischen Datentypen sind weiterhin uneingeschränkt gültig.

Datentyp	Kommentar
integer	Ganzzahlen
real	Reelle Zahlen einfacher Genauigkeit
(double precision)	Reelle Zahlen doppelter Genauigkeit
complex	Komplexe Zahlen
logical	Logischer Datentyp (.true., .false.)
character	Zeichen(kette)

Im Umfeld des character-Datentyps gab es einige kleinere Ergänzungen:

• Unterstützung internationaler Zeichensätze in Rahmen der ISO 10646-Norm (Universal Coded Character Set)
• Die Funktion selected_char_kind ist neu. Ihre Funktionsweise ist äquivalent zu den bereits aus Fortran 90/95 bekannten Funktionen selected_int_kind und selected_real_kind.

Enumeration

Mit Fortran 2003 sind auch in dieser Programmiersprache Enumerationen (Aufzählungstypen) möglich. Die Werte in einer solchen Enumeration besitzen einen integer-Datentyp.

enum, bind( C ) enumerator :: wert(e) // ... end enum

Die von C-Enumerationen bekannten Eigenschaften gelten gleichermaßen für Fortran-Enumerationen, z.B.:

• ohne explizite Zuweisung von Werten wird mit dem Wert 0 gestartet.
• ohne explizite Zuweisung von Werten wird in der Anordnungsreihenfolge der Elemente sukzessiv immer um 1 hochgezählt.
• Wurde dem Vorgängerelement eine Ganzzahl zugewiesen, dem Element jedoch nicht, so ist der Wert dieses Elementes die dem Vorgängerelement zugeordnete Ganzzahl + 1.

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none integer :: wert enum, bind( C ) enumerator :: MON, DIE, MIT = 3, DON, FRE = 5, SAM = 66, SON = 77 end enum write( *, * ) MON write( *, * ) MIT write( *, * ) SAM wert = 4 if( wert == MIT + 1 ) then write( *, * ) "Donnerstag" endif ! Ausgabe: ! 0 ! 3 ! 66 ! Donnerstag end program bsp

Obwohl der Fortran 2003-Working Draft J3/04-007 durch das bind(c) eine zwingende Anbindung an einen Aufzählungstyp in der Programmiersprache C vorgaukelt, ist dies nicht der Fall. Fortran-Enumerationen funktionierten auch ohne entsprechendes C-Gegenstück. Sie werden im Fortran 2003-Working Draft auch nicht im Abschnitt Interoperability with C geführt, sondern direkt im Abschnitt über die Fortran-Datentypen. Diese Tatsache dürften die Compilerbauer auch unterschiedlich interpretieren. So wäre beim g95-Compiler das Attribut bind(C) nicht unbedingt erforderlich, ist jedoch möglich. Beim Einsatz des gfortran ist der Zusatz bind(C) obligatorisch. Aus Kompatibilitätsgründen ist somit immer die strikte Schreibweise nach Fortran 2003-Standard empfehlenswert. Der Intel Fortran Compiler 9.1 unterstützt dieses Sprachmerkmal ohnehin noch nicht.

Derived Type

Der Derived Type wurde in Fortran 2003 wesentlich erweitert. Er ist nun kein reiner Datenverbund wie noch in Fortran 90/95, sondern eine richtige Klasse. Genauer beschrieben wird dieser Typ später im Kapitel zur OOP, hier zunächst nur einige einfache Erweiterungsmerkmale gegenüber Fortran 90/95.

Benannte Parameter

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none type test integer  :: i character( 20) :: str end type type( test ) :: t1 = test ( i = 1, str = "Wiesenfeld" ) write( *, *) t1 ! Ausgabe: ! 1 Wiesenfeld end program bsp

Die Verwendung von benannten Parametern bei der Konstruktion einer Derived Type-Variable kann vor allem in Verbindung mit Vorgabewerten sinnvoll sein.

Vorgabewerte

Ab Fortran 2003 dürfen Variablen in einem Derived Type auch mit Vorgabewerten (default values) belegt werden.

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none type test integer  :: i = -1 character( 20) :: str = "NN" end type type( test ) :: t1 = test () type( test ) :: t2 = test ( str = "Wiesenfeld" ) type( test ) :: t3 = test ( str = "Walddorf", i = 1 ) write( *, *) t1 write( *, *) t2 write( *, *) t3 ! Ausgabe: ! -1 NN ! -1 Wiesenfeld ! 1 Walddorf end program bsp

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Zeiger

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Prozedurenzeiger

Einführung

Mit dem 2003er-Standard unterstützt auch Fortran Zeiger auf Prozeduren (procedure pointer, Funktionszeiger). Diese spielen auch eine wichtige interne Rolle bei der Realisierung objektorientierter Mechanismen und beim C-Binding. Schematisch wird ein Prozedurenzeiger so deklariert:

procedure( [name] ), pointer :: zeigername

Die Angabe von name ist optional. Wird an dieser Stelle ein Name, z.B. ein Unterprogrammbezeichner angegeben, so bedeutet dies, dass der Prozedurenzeiger mit allen Unterprogrammen, die das gleiche Interface aufweisen, kompatibel ist. Prozedurenzeiger können wie normale Zeiger gehandhabt werden.

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none procedure(up), pointer :: pptr => null() pptr => ooops call pptr ! Ausgabe: ! ooops contains subroutine ooops() write( *, * ) "ooops" end subroutine ooops subroutine up() end subroutine up end program bsp

Prozedurenzeiger mit implizitem Interface

Bei der Deklaration eines Prozedurenzeigers muss keine explizite Schnittstelle angegeben werden. Im Folgenden wird dies am Beispiel eines mit pptr2 benannten Prozedurenzeigers demonstriert.

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none procedure( up ) , pointer :: pptr1 => null() procedure( ) , pointer :: pptr2 => null() procedure( add ), pointer :: pptr3 => null() pptr1 => ooops pptr2 => ooops call pptr1 call pptr2 ! Ausgabe: ! ooops ! ooops pptr3 => add write( *, * ) pptr3( 5 , 12 ) ! Ausgabe: ! 17 ! Folgende auskommentierte Zuordnung waere nicht erlaubt: ! pptr1 => add contains subroutine up() end subroutine up subroutine ooops() write( *, * ) "ooops" end subroutine ooops function add( a, b ) integer  :: add integer, intent( in ) :: a, b add = a + b end function add end program bsp

Abstraktes Interface

Das bei der Deklaration eines Prozedurenzeigers als Schnittstelle genannte Unterprogramm muss nicht real implementiert sein. Es können statt dessen auch abstrakte Interfaces Verwendung finden. Diese sind gleich wie konventionelle Interface-Blöcke aufgebaut, mit dem Unterschied, dass sie als abstract interface gekennzeichnet sind. Ein mit einem abstrakten Interface deklarierter Prozedurzeiger passt dann für jedes Unterprogramm, welches mit identer Schnittstelle ausgestattet ist.

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none abstract interface function afunc( x, y ) integer  :: afunc integer, intent( in ) :: x, y end function afunc end interface procedure( afunc ), pointer :: pptr1 => null() procedure( add ) , pointer :: pptr2 => null() pptr1 => add write( *, * ) pptr1( 5 , 12 ) ! Ausgabe: 17 pptr1 => mult write( *, * ) pptr1( 3 , 2 ) ! Ausgabe: 6 ! Folgendes funktioniert uebrigens auch, da add() und mult() das gleiche Interface ! aufweisen: pptr2 => mult write( *, * ) pptr2( 5 , 5 ) ! Ausgabe: 25 contains function add( a, b ) integer  :: add integer, intent( in ) :: a, b add = a + b end function add function mult( a, b ) integer  :: mult integer, intent( in ) :: a, b mult = a * b end function mult end program bsp

Zeiger und das intent-Attribut

Nun ist bei der Übergabe von Zeigern an Unterprogramme auch die Angabe eines intent-Attributs möglich. Das war mit Fortran 90/95 noch nicht erlaubt. Diese intent-Angaben beziehen sich aber nicht auf die Variablenwerte an sich, sondern beschränken nur die Möglichkeiten zur Zeigerzuordnung im Unterprogramm selbst.

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none integer, target  :: x = 15 integer, pointer :: ptr1 => null(), ptr2 => null() ptr1 => x ptr2 => x call mult( ptr1, ptr2) write( *, *) "Zuordnungsstatus ptr1:", associated( ptr1 ) write( *, *) "Zuordnungsstatus ptr2:", associated( ptr2 ) write( *, *) "Wert ptr1:", ptr1 write( *, *) "Wert x:", x ! Ausgabe: ! Zuordnungsstatus ptr1: T ! Zuordnungsstatus ptr2: F ! Wert ptr1: 45 ! Wert x: 45 contains subroutine mult( a, b ) integer, pointer, intent( in )  :: a integer, pointer, intent( inout ) :: b integer, target :: val = 3 ! Folgendes waere nun nicht erlaubt, da a nur intent( in ) ! a => null() ! Das auch nicht: ! a => val ! Das allerdings ist erlaubt: a = a * val ! b ist mit intent( inout ) spezifiziert, also ist hier eine Zeigerzuordnung ! erlaubt: b => null() end subroutine mult end program bsp

Zeiger und Felder

Auch im Zusammenspiel von Zeigern mit Feldern bringt der Fortran 2003-Standard einige Ergänzungen.

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Ein- und Ausgabe

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Streams

Fortran 2003 bietet zusätzlich zum altbekannten datensatzbasierten I/O nun auch Dateieingabe und -ausgabe in Form von Streams, wie das z.B. in der Programmiersprache C seit jeher üblich ist.

Unterschied zum alten I/O-Konzept?

• Streams ermöglichen das Lesen und Schreiben von Binärdateien, ohne sich mit den auf Datensätzen aufbauenden Strukturen der konventionellen Fortran-I/O herumschlagen zu müssen.
• Bei der Ein-/Ausgabe mit Streams wird die Datei als kontinuierliche Byte-Sequenz betrachtet.
• Stream-I/O ist logischerweise nicht für interne Dateien gedacht.

Anwendung

Auch wenn Stream-I/O in Fortran 2003 ein neues Konzept ist, so sind die altbekannten open-, read-, write-und close-Befehle dafür zuständig.

• Öffnen eines Streams:

open( ..., access = "STREAM", ... )

• Lesen und Schreiben:

read( ... ) ... write( ... ) ...

• Schließen eines Streams:

close( ... )

Unformatierte Stream-I/O

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none real  :: a = 55.678 real  :: b character( len = 3 ) :: str open( 50, file = "test", access = "STREAM", status = "REPLACE") write( 50 ) "Hallo Welt" write( 50 ) "Hello World" ! Ausgabe in Datei: siehe Bild 1 write( 50, pos = 100 ) "Greetings" ! Ausgabe in Datei: siehe Bild 2 write( 50, pos = 60 ) a ! Ausgabe in Datei: siehe Bild 3 read( 50, pos = 60 ) b write( *, * ) b ! Ausgabe: ! 55.678 read( 50, pos = 8 ) str write( *, * ) str ! Ausgabe: ! elt close( 50 ) end program bsp

Da es sich um eine unformatierte Ein-/Ausgabe handelt, darf natürlich kein Formatspezifizierer bei den read- und write-Anweisungen angegeben werden, auch kein *. Mittels pos-Spezifizierer kann an eine bestimmte Position in der Datei gesprungen werden.

Bild 1
Bild 2
Bild 3

Formatierte Stream-I/O

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none real  :: a = 55.678 real  :: b = 13.9876 character( len = 20 ) :: str1, str2, str3 integer  :: fposition open( 50, file = "test", access = "STREAM", form = "FORMATTED", status = "REPLACE") write( 50, "(2A20)" ) "Hallo Welt", "Hello World" inquire( 50, pos = fposition ) write( *, * ) fposition write( 50, * ) a, new_line( "x" ), b, " abcdef" read( 50, *, pos = fposition ) a write( *, * ) a read( 50, *, pos = 1 ) str1, str2, str3 write( *, * ) str1, str2, str3 read( 50, * ) str1, a write( *, * ) str1, a ! Ausgabe in Datei: ! Hallo Welt Hello World ! 55.678 ! 13.9876 abcdef ! Ausgabe auf Bildschirm: ! 42 ! 55.678 ! Hallo Welt Hello ! 55.678 13.9876 close( 50 ) end program bsp

Weblinks

• Stream Input/Output in Fortran

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Intrinsische Funktionen und Subroutinen

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Die Fortran 90/95-Funktionen und -Subroutinen sind natürlich auch in Fortran 2003 uneingeschränkt gültig. Einige Unterprogramme wurden neu aufgenommen, andere in ihrer Funktionalität etwas erweitert.

Neu

Datentypfunktionen

Funktion

Beschreibung

i = selected_char_kind ( c )

Gibt den kind-Wert des Parameters zurück. Der Rückgabewert ist von Datentyp integer. Parameter: name Rückgabewert: name = "DEFAULT": der Default-Wert für Zeichen wird zurückgegeben name = "ASCII": der Wert für ASCII-Zeichen wird zurückgegeben name = "ISO_10646": der Wert für "ISO 10646"-Zeichen wird zurückgegeben -1 ... Zeichentyp wird nicht unterstützt Beispiel: i = selected_char_kind( "ASCII" ) i => 1

Kommandozeile und Environment

Funktion	Beschreibung
i = command_argument_count ( )	Anzahl der übergebenen Kommandozeilenargumente (der Programmname selbst wird nicht mitgezählt). Der Rückgabewert ist vom Typ integer. Beispiel: Programmaufruf mit: ./a.out opt1 opt2 i = command_argument_count( ) i => 2

Subroutine	Beschreibung
get_command (  [c, i, i] )	Übergebene Kommandozeilenargumente (ohne Programmname) Parameter: command: Kommandozeilenargumente als Zeichenkette, intent( out ), optional length: Länge der Zeichenkette, intent( out ), optional status: Status, intent( out ), optional 0 ... OK -1 ... command-Argument existiert und ist kürzer als length andere Zahl ... Fehler Beispiel: Programmaufruf mit: ./a.out opt1 opt2 call get_command( str, len, st ) str => opt1 opt2 len => 9 st => 0
get_command_argument (  i, [c, i, i] )	Ein bestimmtes Kommandozeilenargument (inkl. Programmname) Parameter: number: Nummer des gewünschten Kommandozeilenargumentes beginnend bei 0, intent( in ) value: Wert des Kommandozeilenargumentes, intent( out ), optional length: Länge der Zeichenkette, intent( out ), optional status: Status, intent( out ), optional 0 ... OK -1 ... Argument existiert und ist kürzer als length andere Zahl ... Fehler Beispiel: Programmaufruf mit: ./a.out opt1 opt2 call get_command_argument( 1, str, len, st ) str => opt1 len => 4 st => 0
get_environment_variable (  c1, [c2, i, i, l] )	Wert einer bestimmten Umgebungsvariable. Parameter: name: Name der Umgebungsvariable, intent( in ) value: Wert der Umgebungsvariablen, intent( out ), optional length: Länge der Zeichenkette c2, intent( out ), optional status: Status, intent( out ), optional trim_name: intent( in ), optional 0 ... OK -1 ... Umgebungsvariable existiert, Wert ist kürzer als length 1 ... Umgebungsvariable existiert nicht 2 ... keine Unterstützung von Umgebungsvariablen andere Zahl ... sonstiger Fehler Beispiel: call get_environment_variable( "PWD", str, len, st, .TRUE. ) str => /usr/bin len => 8 st => 0

Erweitert

• system_clock(i1, ir, i2) ... Das zweite Argument (count_rate) darf nun vom Datentyp integer oder real sein.
• max, maxloc, maxval, min, minloc, minval ... Funktionieren nunmehr auch für Werte vom Datentyp character.
• atan2(r1, r2), log(rx), sqrt(rx) ... Unterscheidung von positiven und negativen Nullen im Argument.

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Intrinsische Module

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Grundlegendes

Module gab es bereits mit Fortran 90/95. Neu in Fortran 2003 sind die sogenannten "intrinsischen Module". Das sind jene Module, die bereits standardmäßig von Fortran-2003-Compilern bereitgestellt werden. Werden Datenelemente oder Funktionen aus solchen intrinsischen Modulen benötigt, so ist das entsprechende Modul mittels

use, intrinsic :: modulname

in die jeweilige Programmeinheit einzubinden.

Der Unterschied zu konventionellen (nonintrinsischen) Modulen ist das Wörtchen intrinsic, das dem Compiler mitteilt, dass er das Modul bereits mitbringt und nicht irgendwo extern danach suchen soll. Wird nach dem use-Schlüsselwort kein entsprechendes Attribut oder das non_intrinsic-Attribut angegeben, so zeigt dies an, dass ein nonintrinsisches Modul benutzt wird.

Das intrinsische Modul iso_fortran_env

Das iso_fortran_env-Modul enthält einige Fortran-umgebungsspezifische Konstanten.

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp use, intrinsic :: iso_fortran_env implicit none write( *, * ) INPUT_UNIT write( *, * ) OUTPUT_UNIT write( *, * ) ERROR_UNIT write( *, * ) IOSTAT_END write( *, * ) IOSTAT_EOR write( *, * ) NUMERIC_STORAGE_SIZE write( *, * ) CHARACTER_STORAGE_SIZE write( *, * ) FILE_STORAGE_SIZE ! Ausgabe, z.B.: ! 5 ! 6 ! 0 ! -1 ! -2 ! 32 ! 8 ! 8 end program bsp

Erläuterung:

Konstante	Anmerkung
INPUT_UNIT	Standard-Eingabeeinheit (entspricht unit=* bei read)
OUTPUT_UNIT	Standard-Ausgabeeinheit (entspricht unit=* bei write)
ERROR_UNIT	Standard-Fehlerausgabeeinheit
IOSTAT_END	end-of-file (EOF)
IOSTAT_EOR	end-of-record (EOR)
NUMERIC_STORAGE_SIZE	Speicherplatzbedarf (in bits)
CHARACTER_STORAGE_SIZE	Speicherplatzbedarf (in bits)
FILE_STORAGE_SIZE	Speicherplatzbedarf (in bits)

All diese Konstanten sind Skalare vom Datentyp integer.

Des Weiteren können mittels INTEGER_KINDS, REAL_KINDS, LOGICAL_KINDS und CHARACTER_KINDS die auf dem jeweiligen System verfügbaren kind-Parameter ermittelt werden.

Beispiel:

Fortran 2003-Code

program bsp use, intrinsic :: iso_fortran_env implicit none print *, "integer_kinds = ", INTEGER_KINDS print *, "real_kinds = ", REAL_KINDS print *, "logical_kinds = ", LOGICAL_KINDS print *, "character_kinds = ", CHARACTER_KINDS ! Ausgabe, z.B.: ! integer_kinds = 1 2 4 8 ! real_kinds = 4 8 10 16 ! logical_kinds = 1 2 4 8 ! character_kinds = 1 4 end program bsp

Das intrinsische Modul iso_c_binding

Das iso_c_binding-Modul liefert die Konstanten und Unterprogramme, die für die Einbindung von C-Bibliotheken in Fortran-Programme erforderlich sind. Näheres dazu findet sich im Kapitel Fortran 2003 und C.

Die intrinsischen IEEE-Module

Die bereits aus dem dem TR 15580 : 1998 (floating-point exception handling) bekannten Module

• ieee_exceptions
• ieee_arithmetic
• ieee_features

wurden in Fortran 2003 in Form von intrinsischen Modulen aufgenommen. Diese Module decken den IEEE  754-1985-Standard (auch IEC 559:1989) ab.

Wovon handelt der IEEE 754-1985-Standard?

Im Bereich der Gleitkommazahlen (real, float, ...) herrschte bis in die 1980er-Jahre Anarchie. Es gab keine verbindlichen Regeln wie Gleitkommazahlen repräsentiert werden, wie gerundet wird, wie Under- und Overflows gehandhabt werden, wie mit Unendlich und NaN verfahren wird, etc. Das führte dazu, dass das gleiche Computerprogramm auf unterschiedlichen Rechnerarchitekturen und mit verschiedenen Compilern unterschiedliche Resultate liefern konnte. Um diesem Manko zu begegnen wurde in den frühen 1980er-Jahren eine Standardisierung angestrebt. Resultat war die Verabschiedung des IEEE 754-1985-Standards (IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic for microprocessor systems).

Dieser Standard regelt im Wesentlichen

• die Repräsentation von Gleitkommazahlen:

Darstellung: $zahl=(-1)^{s}\cdot m\cdot b^{e}$

s	...	Vorzeichen
m	...	Mantisse
b	...	Basis (2 für normalisierte Zahlen)
e	...	Exponent

Zahlenformate:

single	...	4 Bytes
double	...	8 Bytes
double-extended	...	≥10 Bytes, optional

• die Darstellung normalisierter und denormalisierter Zahlen:
  • Normalisierte Zahlen: Gleitkommazahlen#Normalisierung
  • Denormalisierte Zahlen: Bereich zwischen der kleinsten darstellbaren normalisierten Zahl und Null (Exponent hat einen reservierten Wert, führende Bit der Mantisse ist 0)
• NaN (Not a Number), $\pm \infty$ , $\pm 0$
• Rundungen (zur nächstgelegenen darstellbaren Zahl, in Richtung Null, in Richtung $+\infty$ oder in Richtung $-\infty$)
• das Verhalten verschiedener Operationen (Grundrechenarten, Wurzelberechnung, Konvertierung Gleitkommazahl → Ganzzahl, Binär-Dezimal-Konvertierung, Vergleiche mit Nan und $\infty$, etc.)
• Exception-Handling (Overflow, Underflow, Division by Zero, Inexact, Invalid)

Weiterführende Weblinks:

• IEEE 754
• Kahan, W.: Why do we need a floating-point arithmetic standard?, UC Berkeley, 1981, [4]
• Kahan, W.: Lecture Notes on the Status of IEEE Standard 754 for Binary Floating-Point Arithmetic, UC Berkeley, 1996, [5]

Implementierung in Fortran 2003

Wie bereits erwähnt, besitzt Fortran 2003 intrinsische Module, mit denen der Zugriff auf bestimmte IEEE-Eigenschaften erfolgen kann. Dazu stehen eine Reihe von Funktionen, Subroutinen, Verbundtypen und Konstanten zur Verfügung. Merkmal ist, dass diese immer mit dem Präfix ieee beginnen.

ieee_arithmetic

Das aus Programmiersicht umfangreichste Modul ist sicherlich ieee_arithmetic. Dieses enthält zahlreiche Funktionen, Subroutinen und Konstanten.

Abfragefunktionen für die Unterstützung bestimmter IEEE-Elemente, z.B.:

l = ieee_support_datatype( [x] )	Prüft ob die IEEE-Arithmetik für einen speziellen real-Datentyps, charakterisiert durch x (Zahl oder Feld), unterstützt wird. Wird kein Argument angegeben, so wird geprüft, ob die IEEE-Arithmetik für alle real-Datentypen unterstützt wird.
l = ieee_support_nan( [x] )	Prüft, ob NaN-Werte unterstützt werden
l = ieee_support_rounding( round_value, [x] )	Prüft, ob ein bestimmter IEEE-Rundungsmodus unterstützt wird. Mögliche Rundungsmodi sind: ieee_nearest ieee_to_zero ieee_up ieee_down ieee_other

Elementare Funktionen, z.B.:

l = ieee_is_finite( x )	Prüft, ob der Wert x endlich ist
r = ieee_next_after( x, y )	Liefert die nächste darstellbare Zahl von x in Richtung y
r = ieee_rint( x )	Rundet gemäß eingestelltem Rundungsmodus zu einer Ganzzahl und liefert diese Zahl mit dem Datentyp von x zurück.

Die Kind-Funktion:

r = ieee_selected_real_kind( [p, r] )

Liefert einen kind-Wert

Nichtelementare Subroutinen, z.B.:

ieee_get_underflow_mode( gradual )	Liefert den aktuellen Underflow-Modus
ieee_set_rounding_mode( round_value )	Setzt den IEEE-Rundungsmodus, mögliche Werte für round_value ieee_nearest ieee_to_zero ieee_up ieee_down ieee_other

ieee_exceptions

Das ieee_exceptions-Modul enthält zwei Funktionen, mit denen abgefragt werden kann, welche Exceptions unterstützt werden bzw. inwieweit IEEE-Halting unterstützt wird:

l = ieee_support_flag( flag, [x] )
l = ieee_support_halting( flag )

Mögliche Flags sind

• ieee_invalid
• ieee_overflow
• ieee_divide_by_zero
• ieee_underflow
• ieee_inexact

Des Weiteren sind in diesem Modul einige Subroutinen zum Setzen bzw. Abfragen diverser Flags enthalten:

ieee_get_status( status_value )
ieee_set_flag( flag, flag_value )
ieee_set_halting_mode( flag, halting )
ieee_set_status( status_value ) 

Bei Einbindung des ieee_arithmetic-Moduls ist auch automatisch Zugriff auf die public-Elemente des Moduls ieee_exceptions gegeben.

ieee_features

Das ieee_features-Modul liefert einige benannte Konstanten, z.B. ieee_datatype, ieee_inf, ieee_sqrt.

Beispiel: Rundungsmodus

IEEE-Subroutinen:

ieee_get_rounding_mode( val )
ieee_set_rounding_mode( flag )

Mögliche Wert für flag sind:

ieee_nearest	...	default, Rundung zur nächstgelegenen Zahl (wenn das nicht eindeutig möglich ist, dann Rundung zur nächstgelegenen geraden Zahl)
ieee_to_zero	...	Rundung in Richtung 0
ieee_down	...	Rundung Richtung $-\infty$
ieee_up	...	Rundung Richtung $+\infty$

Fortran 2003-Code

program bsp use, intrinsic :: ieee_arithmetic implicit none real, dimension(6)  :: a = (/ -1.5, -0.5, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5 /) ! Standard-Fortran-Rundungsfunktion write( *, * ) anint( a ) ! IEEE-Rundungsfunktion (default) write( *, * ) ieee_rint( a ) ! IEEE-Rundungsfunktion mit Flag ieee_round_type = ieee_nearest call ieee_set_rounding_mode( ieee_nearest ) write( *, * ) ieee_rint( a ) ! IEEE-Rundungsfunktion mit Flag ieee_round_type = ieee_to_zero call ieee_set_rounding_mode( ieee_to_zero ) write( *, * ) ieee_rint( a ) ! IEEE-Rundungsfunktion mit Flag ieee_round_type = ieee_down call ieee_set_rounding_mode( ieee_down ) write( *, * ) ieee_rint( a ) ! IEEE-Rundungsfunktion mit Flag ieee_round_type = ieee_up call ieee_set_rounding_mode( ieee_up ) write( *, * ) ieee_rint( a ) end program bsp

Ausgabe:

Standard-Fortran	IEEE-Default	ieee_nearest	ieee_to_zero	ieee_down	ieee_up
-2.0 -1.0 1.0 2.0 3.0 4.0	-2.0 0.0 0.0 2.0 2.0 4.0	-2.0 0.0 0.0 2.0 2.0 4.0	-1.0 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0	-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0	-1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Beispiel: Halting-Modus

Dieser Modus bestimmt, ob nach einer Exception das Programm angehalten oder fortgesetzt wird. Die in diesem Beispiel eingesetzten IEEE-Unterprogramme sind:

• ieee_support_halting( flag ) ... prüft, ob auf dem System das IEEE-Halting für das angegebenen Flag überhaupt unterstützt wird (Rückgabewert: .true.). Mögliche Flags:
  • ieee_invalid
  • ieee_overflow
  • ieee_divide_by_zero
  • ieee_underflow
  • ieee_inexact
• ieee_set_halting_mode( flag, mode ) ... setzt den Halting-Modus für ein bestimmtes Flag.
  • flag ... wie bei ieee_support_halting( flag )
  • mode:
    • .true. ... anhalten
    • .false. ... Programm weiter ausführen

Fortran 2003-Code

program main use, intrinsic :: ieee_arithmetic implicit none real :: a, b if( ieee_support_halting( ieee_divide_by_zero ) ) then call ieee_set_halting_mode( ieee_divide_by_zero, .false. ) read( *, * ) a, b write( *, * ) "Resultat: ", a / b write( *, * ) "Programm wird fortgesetzt ..." else write( *, * ) "IEEE-Halting wird nicht unterstuetzt" end if end program main

Eingabe:

• 10.0 (... für a)
• 0.0 (... für b)

Ausgabe (bei Programmerstellung mit dem Sun-Express-Fortran-Compiler f95):

ieee_set_halting_mode( ieee_divide_by_zero, .false. )	ieee_set_halting_mode( ieee_divide_by_zero, .true. )
Resultat: Inf Programm wird fortgesetzt ...	Gleitkomma-Ausnahme

Weitere Beispiele zum Thema "Exceptions and IEEE arithmetic" sind im Fortran 2003-Working Draft J3/04-007 ab Seite 386 enthalten.

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Eine Programmbibliothek bezeichnet in der Programmierung eine Sammlung von Programmfunktionen für zusammengehörende Aufgaben. Bibliotheken sind im Unterschied zu Programmen keine eigenständig lauffähigen Einheiten, sondern Hilfsmodule, die Programmen zur Verfügung gestellt werden.

Quelltextbibliotheken

Quelltextbibliotheken enthalten Sammlungen von Wertedefinitionen, Deklarationen, Funktionen, Klassen, generischen Bestandteilen, usw.

API

Eine Programmierschnittstelle ist eine Schnittstelle die von einem Softwaresystem anderen Programmen zur Anbindung an das System zur Verfügung gestellt wird. Oft wird dafür die Abkürzung API (für engl. application programming interface, deutsch: Schnittstelle zur Anwendungsprogrammierung) verwendet. Im Gegensatz zu einer Binärschnittstelle (ABI) definiert ein API nur die Verwendung der Schnittstellen auf Quelltextebene.

Neben dem Zugriff auf Datenbanken, die Hardware wie Festplatte oder Grafikkarte kann ein API auch das Erstellen von Komponenten der grafischen Benutzeroberfläche ermöglichen oder vereinfachen.

Im weiteren Sinne wird die Schnittstelle jeder Bibliothek (Library) als API bezeichnet.

Statische Bibliotheken

Statische Bibliotheken werden nach dem Kompiliervorgang durch einen so genannten Linker oder Binder in einem eigenen Schritt mit dem ausführbaren Programm verbunden.

Der Linker sucht aus den Bibliotheksdateien Unterprogramme heraus, für die es im Programm keine Implementierung gibt. Diese werden dann aus den Dateien extrahiert und an das Programm gebunden, d.h. der Unterprogrammcode wird an den Programmcode angefügt und die Aufrufverweise werden auf die Unterprogrammadressen gerichtet.

Dynamische Bibliotheken

Dynamische Bibliotheken werden erst bei Bedarf in den Arbeitsspeicher geladen und durch den sogenannten Lader mit dem ausführbaren Programm verbunden. Dadurch muss eine Bibliothek, die von mehreren Programmen genutzt wird, nur einmal im Speicher gehalten werden.

Dies ist beispielsweise bei Multitasking-Systemen vorteilhaft, wenn die Bibliotheken insgesamt sehr groß sind und von vielen Prozessen gleichzeitig verwendet werden. Dort wird eine Bibliotheksdatei bei ihrer ersten Verwendung in den Speicher geladen. Trifft ein Programm auf den Verweis zu einem Unterprogramm, das noch nicht eingebunden wurde, dann wird ein Laufzeitbinder aktiviert. Dieser sucht das Unterprogramm in den im Speicher vorhandenen Bibliotheken, fügt die Adresse am Aufrufpunkt ein und führt das Unterprogramm erstmalig aus.

Bei jedem weiteren Aufruf des Unterprogramms ist dann die Adresse vorhanden, so dass das Unterprogramm direkt aufgerufen wird. Die Ausführungszeit, insbesondere die Startzeit eines Programms, ist hier geringfügig erhöht. Dies wird in Kauf genommen, da der Programmcode der Bibliotheksfunktionen von allen Prozessen geteilt wird. Der Speicherbedarf aller Programme zusammen ist daher in der Regel kleiner als beim statischen Linken.

Unterstützt das Betriebssystem virtuellen Speicher, so entfällt das Laden der gesamten Bibliothek bei der ersten Verwendung. Stattdessen wird die Bibliothek in den Speicherbereich jedes sie verwendenden Prozesses eingeblendet. Die virtuelle Speicherverwaltung lädt danach nur tatsächlich benötigte Teile der Bibliothek bei Bedarf von der Festplatte in den Arbeitsspeicher.

Bibliotheken in verschiedenen Programmiersprachen

Bibliotheken in Programmiersprachen enthalten Leistungen, die nicht im Compiler implementiert sind, sondern in der Sprache selbst programmiert sind und mit dem Compiler zusammen oder völlig von ihm getrennt dem Programmierer zur Verfügung stehen. Im ersten Fall ist die Bibliothek meist in der Sprachbeschreibung festgelegt. Im zweiten Fall spricht man von einer externen Bibliothek.

Bibliotheken bei verschiedenen Betriebssystemen

Windows

Bei den Betriebssystemen Windows und auch bei OS/2 wird eine Bibliotheksdatei, die dynamisch bindet, als Dynamic Link Library (DLL) bezeichnet. Entsprechend haben diese Dateien meist die Dateiendung .dll. Ihr Dateiformat ist Portable Executable.

Problematisch ist bei Windows 95, Windows 98 und Windows Me, dass durch unzureichende Schutzmaßnahmen die DLLs nicht kontrolliert werden - jedes Programm darf sie austauschen und kann dem Betriebssystem damit möglicherweise Schaden zufügen. Windows 2000 und Windows XP hingegen verfügen über einen Systemschutz, der auch die DLLs einbezieht.

Vorteile

• Außer Code können auch Daten (z. B. Dialog-Ressourcen) von mehreren Prozessen gemeinsam genutzt werden.
• DLLs werden häufig statisch gelinkt, können aber auch dynamisch (daher der Name) gelinkt werden. Dynamisch heißt hier, dass die DLL explizit vom Programm zur Laufzeit geladen wird und die Funktionen, die sich in der DLL befinden, „per Hand“ mit dem Programm verbunden werden. Dadurch wird es möglich, durch Austauschen der DLL die Funktionalität des Programms zur Laufzeit zu verändern.

• DLLs können unabhängig vom Hauptprogramm gewartet werden. D. h. Funktionen in der DLL können ohne Wissen des Programms verändert werden. Danach wird die DLL einfach ausgetauscht (die alte DLL-Datei wird überschrieben), ohne dass das Hauptprogramm verändert werden muss.

• Da die DLL als unabhängige Datei dem Hauptprogramm beiliegen muss, können Anbieter von Programmcode besser sicherstellen, dass Programmierer, die die Funktionen ihrer DLL nutzen, dafür auch bezahlen. Die Funktionalität der DLL verschwindet so nicht (wie bei einer Library) im Code des Programms. Dieser Vorteil wird von Befürwortern freier Software als Nachteil gesehen.

Nachteile

Änderungen in DLLs ziehen oft auch Änderungen im Programm mit sich. Dadurch kommt es leicht zu Versionskonflikten, die oft nur sehr schwer aufzuspüren sind.

Eine der Grundideen der DLLs war, Programmcode zwischen mehreren Programmen zu teilen, um so kostbaren Speicher zu sparen. In der Praxis ist es jedoch dazu gekommen, dass viele Programme bei der Installation DLLs in das Windows-Systemverzeichnis schreiben, die außer diesem speziellen Programm kein anderes benutzen kann.

Außerdem ist die Entwicklung und insbesondere die Anbindung im Vergleich aufwändiger als zur statischen Bibliothek.

Quintessenz

DLLs sollte man nur benutzen, wenn man ihre spezielle Funktionalität benötigt und man ausschließlich unter Windows arbeitet. Sind statische Bibliotheken für den Zweck ausreichend, sollte man diese vorziehen. In der Praxis ergeben sich keinerlei Einsparungen bei der Größe des Codes.

Unix-artige

Auf Unix-artigen Betriebssystemen ist für dynamische Bibliotheken die Bezeichnung shared library (englisch shared, geteilt) gebräuchlich.

Für diese Dateien hat sich die Endung .so (shared object) eingebürgert. In der Regel folgt dem Bibliotheksnamen noch eine Versionsnummer.

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Grafik und GUI

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Allgemeines

Die DISLIN Scientific Plotting Software ist eine Bibliothek für die grafische Datendarstellung. Auch für die Gestaltung grafischer Benutzeroberflächen läßt sich DISLIN verwenden. DISLIN greift zu diesem Zwecke auf die Motif-Bibliothek zu. Die DISLIN-Bibliothek ist für mehrere Programmiersprachen konzipiert, so auch auch für die Programmiersprache Fortran.

Beispiele

Beispiel 1: Strings und Zahlen

Fortran 90/95-Code (free source form)

program dbsp1 implicit none real, parameter :: PI = 3.1415926  ! *** Initialisierung *** call setpag ("DA4P")  ! DIN-A4 Hochformat call metafl ("CONS")  ! Ausgabe auf Konsole (Bildschirm) call disini  ! DISLIN initialisieren  ! *** Zeichnen *** call messag ("Hallo, Welt!", 50,50)  ! Message schreiben call number (PI, 4, 50, 150)  ! 3.1416 schreiben  ! *** Aufräumen *** call disfin  ! DISLIN beenden end program dbsp1

Programm erstellen:

• Variante 1:

gfortran -c dateiname.f95
dlink dateiname

• Variante 2:

gfortran -o dateiname dateiname.f95 -ldislin

Eine Auswahl von möglichen aktuellen Parametern für die Subroutine metafl:

• "CONS" ... Konsole (Bildschirm)
• "XWIN" ... X-Window (Bildschirm)
• "EPS" ... Encapsulated Postscript-Datei
• "PNG" ... PNG-Datei
• "SVG" ... SVG-Datei
• "PDF" ... PDF-Datei

Beispiel 2: Zeichnen von Kurven und Funktionen

Fortran 90/95-Code (free source form)

program dbsp2 implicit none real, dimension(0:99) :: x, y integer :: i, setrgb do i = 0, 99 x(i) = i / 20.0 y(i) = sin(x(i)) end do  ! *** Initialisierung *** call setpag ("DA4P")  ! DIN-A4 call metafl ("PNG")  ! Ausgabe in eine PNG-Datei call disini  ! DISLIN initialisieren  ! *** Zeichnen *** call pagfll (255)  ! Hintergrundfarbe auf weiß setzen call color (setrgb (0., 0., 0.))  ! Vordergrundfarbe auf schwarz setzen call graf (0.0, 5.0, 0.0, 0.5, -1.0, 1.0, -1.0, 0.1) ! 2D-Koordinatensystem setzen call curve (x, y, 100)  ! Graphen zeichnen  ! *** Aufräumen *** call disfin  ! DISLIN beenden end program dbsp2

Beispiel 3: Ein Pie-Chart

Fortran 90/95-Code (free source form)

program dbsp3 implicit none real, dimension(3)  :: part = (/5.5, 2.5, 1.0/) integer, dimension(3) :: partcol1 = (/10, 100, 150/) integer, dimension(3) :: partcol2 = (/10, 100, 150/) integer :: setrgb  ! *** Initialisierung *** call setpag ("DA4P")  ! DIN-A4 call metafl ("CONS")  ! Console (Bildschirm) call disini  ! DISLIN initialisieren  ! *** Zeichnen *** call pagfll (255)  ! Hintergrundfarbe auf weiß setzen call color (setrgb (0., 0., 0.))  ! Vordergrundfarbe auf schwarz setzen call shdpat (16)  ! Shadingpattern (16 = voll) call chnpie ("NONE")  ! Farbe und Shadingpattern call pieclr (partcol1, partcol2, 3)  ! Teilfarben call pietyp ("3D")  ! 3D call piegrf ("Hallo", 0 , part, 3)  ! Pie-Chart zeichnen  ! *** Aufräumen *** call disfin  ! DISLIN beenden end program dbsp3

Beispiel 4: Ein Meldungsfenster

Fortran 90/95-Code (free source form)

program dbsp4 implicit none call disini call dwgmsg ("Hallo, Welt") call disfin end program dbsp4

Weitere (auch komplexere) Beispiele finden sich im ausführlichen DISLIN-Manual. Dieses ist auf der unten genannten Webpräsenz abrufbar.

Weblinks

• Max-Planck-Gesellschaft: DISLIN

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Allgemeines

f03gl ist ein Fortran 2003-Interface für OpenGL, speziell für GLUT, freeglut und OpenGLUT. f03gl kann als der Nachfolger von f90gl betrachtet werden.

Beispiel

Fortran 2003-Code

module bsp_ogl contains subroutine display() use opengl_gl use opengl_glut implicit none call glclear(GL_COLOR_BUFFER_BIT + GL_DEPTH_BUFFER_BIT) call glColor3f( 0.2, 1.0, 0.3 ) call glutSolidTeapot( 50.0_gldouble ) call glutswapbuffers end subroutine display subroutine gfxinit use opengl_gl use opengl_glu implicit none real( glfloat ), dimension( 4 ) :: pos = (/ 100.0, 100.0, 200.0, 1.0 /) call glenable( GL_LIGHTING ) call glenable( GL_LIGHT0 ) call glenable( GL_DEPTH_TEST ) call glenable( GL_COLOR_MATERIAL ) call glenable( GL_NORMALIZE ) call glenable( GL_POLYGON_SMOOTH ) call gllightfv( GL_LIGHT0, GL_POSITION, pos ) call glClearColor( 0.7, 0.7, 0.7, 0.0 ) call glmatrixmode( GL_PROJECTION ) call glOrtho( -100.0_gldouble, 100.0_gldouble, -100.0_gldouble, 100.0_gldouble, & -100.0_gldouble, 100.0_gldouble ); call glmatrixmode( GL_MODELVIEW ) call glrotatef( 35.0, 1.0, 0.0, 0.0 ) call glrotatef( -25.0, 0.0, 1.0, 0.0 ) end subroutine gfxinit end module bsp_ogl program bsp use opengl_glut use bsp_ogl use, intrinsic :: iso_c_binding implicit none integer :: i call glutinit() call glutinitdisplaymode( GLUT_DOUBLE + GLUT_RGB + GLUT_DEPTH ) i = glutcreatewindow( "Beispiel" // c_null_char ) call gfxinit call glutdisplayfunc( display ) call glutmainloop end program bsp

Um das Beispiel nutzen zu können, müssen die Dateien OpenGL_gl.f90, OpenGL_glu.f90 und wahlweise OpenGL_glut,f90, OpenGL_freeglut.f90 oder OpenGL_openglut.f90 von der Webseite „Fortran 2003 Interface to OpenGL" herunter geladen werden. Die ersten beiden Dateien sind das Interface zu den beiden Bibliotheken GL (Graphics Library) und GLU. Die drei anderen Dateien sind das Interface für die Utility Toolkits GLUT, freeglut bzw. OpenGLUT.

Diese Dateien müssen dann kompiliert werden, beispielsweise für die Verwendung der freeglut:

g95 -c OpenGL_gl.f90
g95 -c OpenGL_glu.f90
g95 -c OpenGL_freeglut.f90

Kompilieren und Linken des Beipielprogrammses bsp.f03, hier als Beispiel, wenn sich die opengl_*.mod-Dateien und OpenGL_*.o-Dateien im gleichen Verzeichnis wie die Beispieldatei bsp.f03 befinden und die freeglut-Bibliothek verwendet wird (wie in einigen Linux-Distrubtionen wie z. B. Red Hat):

g95 -o bsp bsp.f03 OpenGL_gl.o OpenGL_glu.o OpenGL_freeglut.o -lGL -lGLU -lglut

Die Parameter -lGL, -lGLU geben die Pfade der beiden Bibliotheken GL und GLU an, während -lglut den Pfad des Utility Toolkits angibt.

Für Mac OS X ist folgende Sequenz zu verwenden:

g95 -o bsp bsp.f03 OpenGL_gl.o OpenGL_glu.o OpenGL_glut.o -framework Carbon -framework OpenGL -framework GLUT

Nach der Eingabe von:

./bsp

sollte als Ausgabe die Utah-Teekanne erscheinen:

Besonderheiten

Die Routinen für OpenGl und die GLUT sind in C geschrieben und auch die meisten Anwendungen von OpenGL und GLUT erfolgen in C. Daraus ergeben sich einige Besonderheiten für die Einbindung von OpenGL und GLUT unter Fortran.

In C lässt sich folgender Code erzeugen:

  int main( int argc, char* argv[])
     {
     ...
     glutReshapeFunc(ChangeSize);
     ...
     return 0;
     }

  void ChangeSize(GLsizei w, GLsizei h)
     {
     ...
     }

Dabei ist GLsizei ein von OpenGL spezifizierter Datentyp vom Typ integer.

In Fortran 2003 sieht das selbe Code-Fragement unter Verwendung der C-Interoperabilität von Fortran 2003 zum Beispiel folgenderweise aus:

Fortran 2003-Code

module simple_opengl_things use opengl_gl use opengl_glu use opengl_glut contains ... subroutine ChangeSize(w, h) bind(c) implicit none integer( kind=GLsizei ), value :: w integer( kind=GLsizei ), value :: h ... end subroutine ChangeSize ... end module simple_open_gl_things program simple_opengl use opengl_glut use simple_opengl_things ... call glutReshapeFunc( ChangeSize ) ... end program simple_opengl

Weblinks

• OpenGL
• Fortran 2003 Interface to OpenGL
• freeglut
• OpenGLUT
• Manual für GLUT version 3

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Allgemeines

Auch für den Bereich des Graphical-User-Interface-Building sind Fortran-Bibliotheken verfügbar. Einerseits gibt es kommerziell-proprietäre Bibliotheken wie Interacter, Winteracter oder GinoMenu, die allerdings eindeutig auf rein professionellen Einsatz abzielen und deren Preise auch dementsprechend hoch liegen.

Hier soll darum anhand eines einfachen Beispiels auf eine mögliche Open-Source-Alternative zu diesen kommerziellen Bibliotheken hingewiesen werden, nämlich japi. japi steht unter der GNU Lesser General Public License und ist ein Java AWT-Wrapper. japi ist für verschiedene Programmiersprachen erhältlich, so auch für FORTRAN 77. Mit kleineren Adaptierungen kann diese Bibliothek aber auch mit Fortran 90/95 verwendet werden. Mit japi ist derzeit nur ein Teil der AWT-Möglichkeiten abrufbar. Der Einsatz von japi setzt zwingend eine aktuelle Java-Installation (JRE oder JDK) auf dem Computer voraus.

japi-Installation

1. Download der Dateien "japi.f" und "libjapi.zip" von der japi-Homepage.
2. Entpacken der "libjapi.zip" (die Linux-Version enthält z.B. nur die "libjapi.a"-Bibliotheksdatei).
3. Verschieben der Bibliotheksdatei in ein geeignetes Verzeichnis, z.B. unter Linux in "/usr/lib" oder "/usr/local/lib".

Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

program jbsp include "japi.f95" integer  :: frame, obj integer, dimension(5) :: button if( .not. j_start()) then write(*,*) "JAPI-Problem" call end () end if frame = j_frame("JAPI-Beispiel") call j_setborderlayout(frame) button(1) = j_button(frame, "Button 1") button(2) = j_button(frame, "Button 2") button(3) = j_button(frame, "Button 3") button(4) = j_button(frame, "Button 4") button(5) = j_button(frame, "Button 5") call j_setborderpos(button(1), J_LEFT) call j_setborderpos(button(2), J_RIGHT) call j_setborderpos(button(3), J_TOP) call j_setborderpos(button(4), J_BOTTOM) call j_show(frame) do obj=j_nextaction() if(obj == frame) call end () if(obj == button(1)) write (*,*) "Button 1 gedrückt" if(obj == button(2)) write (*,*) "Button 2 gedrückt" if(obj == button(3)) write (*,*) "Button 3 gedrückt" if(obj == button(4)) write (*,*) "Button 4 gedrückt" if(obj == button(5)) write (*,*) "Button 5 gedrückt" end do call end () end program jbsp subroutine end call j_quit() stop end subroutine end

Die Include-Datei "japi.f95" ist eine adaptierte "japi.f"-Datei. "japi.f" ist als Teil der japi-Bibliothek im FORTRAN 77-Format auf der unten genannten japi-Webseite zu finden. Für eine Minimalanpassung müssen nur die C-Kommentarzeichen aus FORTRAN 77 gegen die !-Kommentarzeichen von Fortran 95 ausgewechselt werden.

Kompilieren, Linken:

gfortran -o jbsp jbsp.f95 -ljapi

Reference Manuals, sowie Programming Manuals zu japi sind auf der nachfolgend angeführten Homepage in verschiedenen Dateiformaten abrufbar.

Weblinks

• java application programming interface

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Allgemeines

Auch pilib ist ein Open-Source-Ansatz für die Erstellung von GUIs mittels Fortran. Anders als japi verwendet pilib zu diesem Zweck die GTK+-Bibliothek. Momentan befindet sich dieses Projekt in einer frühen Entwicklungsphase (Alpha-Status, Stand: Anfang 2006).

Für nähere Informationen hinsichtlich der GTK+-Bibliothek wird auf die GTK+-Homepage verwiesen.

pilib-Installation

1. Download des pilib-Softwarepakets von der im Abschnitt Weblinks angegebenen pilib-Internetadresse.
2. Entpacken (gunzip, tar).
3. Installation der Bibliotheksbestandteile für Linux mit dem üblichen ./configure, make, make install.

Für eine detailliertere Installationsanleitung wird auf die im Softwarepaket enthaltene INSTALL- und README-Datei, sowie das pilib-Manual im HTML-Format verwiesen.

Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

module bspmod implicit none save integer :: myedit1, myedit2, myedit3 end module bspmod program bsp use pimod use bspmod implicit none integer :: mywin, mycontainer, mybutton, mytext, myclose, myclick call piinit call gkwindow(c("Addition"), 1, 0, mywin, myclose)  ! Container (in diesem Fall eine Table) call gkcontain(3, 2, 4, 5, mycontainer) call gkput(0, 0, -1, -1, mywin, mycontainer)  ! Label call gktext(c("Zahl 1: "), mytext) call gkputtable(0, 0, 0, 0, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, mytext)  ! Einzeiliges Eingabefeld mit einer Breite von 10 Zeichen call gkxedt(10, myedit1) call gkputtable(1, 0, 1, 0, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, myedit1)  ! Label call gktext(c("+"), mytext) call gkputtable(0, 1, 1, 1, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, mytext)  ! Label call gktext(c("Zahl 2: "), mytext) call gkputtable(0, 2, 0, 2, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, mytext)  ! Einzeiliges Eingabefeld mit einer Breite von 10 Zeichen call gkxedt(10, myedit2) call gkputtable(1, 2, 1, 2, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, myedit2)  ! Schaltfläche call gkbutton(c("="), mybutton, myclick) call gkputtable(0, 3, 2, 3, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, mybutton)  ! Label call gktext(c("Ergebnis: "), mytext) call gkputtable(0, 4, 0, 4, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, mytext)  ! Einzeiliges Eingabefeld mit einer Breite von 10 Zeichen call gkxedt(10, myedit3) call gkputtable(1, 4, 1, 4, 4, 4, 5, 5, -1, -1, mycontainer, myedit3) call gkshow(mywin) do while(myclose == 0) call gkproc if(myclick /= 0) then call calculate myclick = 0 end if end do call gkdestroy(mywin) end program bsp subroutine calculate use pimod use bspmod implicit none real  :: k1, k2, string2real character(30) :: cstr k1 = string2real(myedit1) k2 = string2real(myedit2) write(cstr, *) k1+k2 call gksetstring (c(cstr), myedit3) end subroutine calculate function string2real(widget) use pimod implicit none real  :: string2real, zahl integer, intent(in) :: widget character(30)  :: cstr type(string)  :: str call gkgetstring(str, widget) cstr = f_str2char(str) read(cstr, *) zahl  ! Umwandlung eines character-Wertes in eine real-Zahl  ! unter Zuhilfenahme des internal-file-Mechanismus string2real = zahl end function string2real

Kompilieren, Linken:

g95 bsp.f95 -lpilib -lpilibf -I/usr/local/include

Bei der pilib-Installation werden mod-Dateien in ein Standard-Include-Verzeichnis geschrieben. Der Optionsschalter "-I" weist den Compiler an, im gegebenem Verzeichnis nach Include-Dateien zu suchen, in diesem Fall nach mod-Dateien. Das Format der mod-Dateien ist compilerabhängig.

Dieses Beispiel soll nur einen ersten Eindruck von pilib geben. Eine genauere Beschreibung der verwendeten pilib-Unterprogramme und Subroutinenparameter, sowie eine Auflistung weiterer Möglichkeiten der pilib-Bibliothek wird hier mit Hinweis auf die dem pilib-Softwarepaket beiliegenden Dokumentationsdateien nicht getätigt.

Weblinks

• pilib bei SourceForge
• pilib-Manual
• GTK+

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Mathematik

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Allgemeines

Die Basic Linear Algebra Subprograms (BLAS) stellen eine Sammlung von Unterprogrammen für die Vektor- und Matrizenrechnung dar.

• Level 1: Skalar-Vektor-, Vektor-Vektor-Operationen
• Level 2: Matrix-Vektor-Operationen
• Level 3: Matrix-Matrix-Operationen

Die Automatically Tuned Linear Algebra Software (ATLAS) ist ein um einige LAPACK-Funktionen erweitetertes BLAS-Paket und bietet die Möglichkeit, automatisiert eine rechneroptimierte Algebra-Bibliothek zu erzeugen.

Installation von BLAS

BLAS wird in Form von Fortran-Quellcodedateien in einem gepackten tar-Paket zur Verfügung gestellt. Ein Makefile zur Generierung einer Bibliotheksdatei wird nicht mitgeliefert. Eine derartige Bibliotheksdatei kann aber einfach selbst erstellt werden. Eine Anleitung findet sich z.B. auf der gfortran-Dokumentationsseite. Die notwendigen Schritte sind:

1. blas.tgz downloaden
2. Dieses Paket in ein leeres Verzeichnis entpacken
3. Bibliothek erstellen ("shared library" oder "static library"):
   1. In Form einer "shared library":
      gfortran -shared -O2 *.f -o libblas.so -fPIC 
   2. In Form einer "static library":
      gfortran -O2 -c *.f 
      ar cr libblas.a *.o 
4. Die daraus resultierende Bibliotheksdatei in ein geeignetes Verzeichnis verschieben (z.B. /usr/lib/ oder /usr/local/lib/)

Beispiele

Beispiel: Die Level 1-Funktionen sdot und dnrm2

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(3) :: a = (/2.,1.,-1./), b = (/5., -2., 1.5/) real  :: c, sdot real(kind=8)  :: d, dnrm2  ! *** Skalarprodukt ***  ! sdot: s ... REAL, dot ... Skalarprodukt (inneres Produkt)  ! 1. Argument ... Dimension des Vektors  ! 2. und 4. A. ... die Vektoren  ! 3. und 5. A. ... Inkrement (hier 1) c = sdot(3, a, 1, b, 1) write(*,*) c  ! Ausgabe: 6.500000  ! *** Norm des Vektors ***  ! dnrm2: d ... DOUBLE PRECISION, nrm2 ... (euklidische) Norm  ! 1. Argument: Dimension des Vektors  ! 2. A.: Vektor  ! 3. A.: Inkrement (hier 1) d = dnrm2(3, dble(a), 1) write(*,*) d  ! Ausgabe: 2.44948974278318 end program bsp

Kompilieren und Linken:

gfortran bsp.f95 -lblas

Beispiel: Die Level 2-Subroutine sger

sger steht für:

• s ... REAL
• ge ... general matrix
• r ... rank 1 operation

Mathematisch ist damit folgende Operation gemeint:

$A\leftarrow \alpha \mathbf {x} \mathbf {y} ^{T}+A$

wobei A eine mxn-Matrix ist, x und y stellen Vektoren dar.

Das nachfolgende Beispiel führt konkret folgende Rechnung aus: $A={\begin{bmatrix}2.0\\1.0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}1.0&0.0\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}1.0&-1.0\\2.0&7.0\end{bmatrix}}$

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension(2)  :: x = (/2., 1./), y = (/1., 0./) real, dimension(2,2) :: a = reshape ( (/1., 2., -1., 7./), (/2, 2/) ) call sger (2, 2, 1., x, 1, y, 1, a, 2) write(*,*) a  ! Ausgabe: 3.000000 3.000000 -1.000000 7.000000 end program bsp

Weblinks

• BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms)
• Automatically Tuned Linear Algebra Software (ATLAS)

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Allgemeines

Bei der "GNU Scientific Library" (GSL) handelt es sich um eine in C geschriebene Bibliothek. Diese bietet Funktionen für ein weites Spektrum der Mathematik. Beispielhaft seien folgende Bereiche genannt:

• Komplexe Zahlen
• Lineare Algebra
• Polynome
• Statistik
• Fast Fourier Transformation (FFT)
• Numerische Differentiation
• Numerische Integration
• Gewöhnliche Differentialgleichungen
• IEEE Floating-Point-Arithmetik

FGSL ist ein Fortran-Interface für diese GSL-Bibliothek. FGSL selbst deckt nicht die komplette Funktionspalette von GSL ab, inzwischen sind aber auch lineare Algebra und die FFT-Funktionen Bestandteil von FGSL, auch wenn zu diesem Zweck der Einsatz der optimierten Bibliotheken LAPACK und FFTW empfohlen wird. Für einige Teilbereiche werden nicht alle in C implementierten Datentypen unterstützt.

FGSL wurde unter Verwendung einiger Fortran 2003-Sprachmerkmale erstellt. Die Einbindung von FGSL in eigene Programme setzt aus diesem Grunde einen entsprechenden Fortran-Compiler voraus. Der g95-Compiler erfüllt z.B. diese Voraussetzungen.

Derzeit ist die FGSL-Version 0.9.4 vom 31. Mai 2011 aktuell.

Beispiele

Beispiel: Datentypen, Potenzierung und mathematische Konstanten

C	Fortran
#include <stdio.h> #include <gsl/gsl_math.h> int main (void) { double a; double d = 5.0; a = gsl_pow_2 (d) * M_PI_4; printf ("Kreisflaeche = %f\n", a); return 0; }	program bsp use fgsl implicit none real( kind = fgsl_double ) :: a real( kind = fgsl_double ) :: d = 5.0_fgsl_double a = d ** 2 * m_pi_4 write( *, * ) "Kreisflaeche = ", a end program bsp
Kompilieren, Linken: gcc bsp.c -I/usr/local/include -L/usr/local/lib -lgsl -lgslcblas -lm	Kompilieren, Linken: g95 bsp.f03 -I/usr/local/include/g95 -L/usr/local/lib -lgsl -lfgsl_g95 -lgslcblas

Der kind-Wert fgsl_double entspricht dem c_double aus dem iso_c_binding-Modul. FGSL kennt die speziellen pow-Funktionen aus GSL nicht, da Fortran ohnehin über einen eigenen Potenzierungsoperator verfügt. Neben der m_pi_4-Konstante ( = $\pi /4$) kennt FGSL noch eine ganze Reihe anderer mathematischer Konstanten, z.B.:

m_e	...	e, Eulersche Zahl, 2,714...
m_euler	...	Eulersche Konstante, 0,577...
m_pi	...	$\pi$
m_pi_2	...	$\pi /2$
m_sqrt2	...	${\sqrt {2}}$

Auch jede Menge physikalische Konstanten kennt FGSL, z.B.:

fgsl_const_mksa_speed_of_light	...	Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, 2.9979... x 108 m / s
fgsl_const_mksa_molar_gas	...	Allgemeine Gaskonstante, 8.314472 J / (K · mol)
fgsl_const_mksa_inch	...	0.0254 m
fgsl_const_mksa_torr	...	133.322... Pa
fgsl_const_num_giga	...	109

Beispiel: Lösen einer quadratischen Gleichung

Gesucht ist die Lösung der quadratischen Gleichung $x^{2}+12x+37=0$

C

Fortran

#include <stdio.h> #include <gsl/gsl_complex.h> #include <gsl/gsl_poly.h> int main (void) { double a, b, c; gsl_complex z1, z2; int i; a = 1.0; b = 12.0; c = 37.0; i = gsl_poly_complex_solve_quadratic(a, b, c, &z1, &z2); if(i == 1) { /* nur eine Lsg.*/ printf("z = (%f, %f)\n", z1.dat[0], z1.dat[1]); } else { /* 2 Lsg., reell oder komplex */ printf( "z1 = (%f, %f)\n", z1.dat[0], z1.dat[1]); printf( "z2 = (%f, %f)\n", z2.dat[0], z2.dat[1]); } return 0; /* Ausgabe: z1 = (-6.000000, -1.000000) z2 = (-6.000000, 1.000000) */ }

program bsp use fgsl implicit none real( kind = fgsl_double )  :: a, b, c complex( fgsl_double ), dimension( 2 )  :: z integer( kind = fgsl_int )  :: i a = 1.0_fgsl_double b = 12.0_fgsl_double c = 37.0_fgsl_double i = fgsl_poly_complex_solve_quadratic( a, b, c, z(1), z(2) ) if( i == 1 ) then  ! nur eine Lsg. write( *, * ) " z =", z(1) else  ! 2 Lsg., reell oder komplex write( *, * ) " z1,2 =", z end if ! Ausgabe: ! z1,2 = (-6.,-1.) (-6.,1.) end program bsp

Beispiel: Numerische Integration

Gesucht ist die Lösung des Integrals $I=\int _{0}^{1}{\frac {\sin x}{x}}dx$

C

Fortran

#include <stdio.h> #include <math.h> #include <gsl/gsl_integration.h> double f(double x, void *params) { return(sin(x) / x); } int main () { double result, error; size_t neval; gsl_function func; func.function = &f; func.params = 0; gsl_integration_qng (&func, 0.0, 1.0, 1e-9, 1e-9, &result, &error, &neval); printf ("Ergebnis = %f\n", result); return 0; /* Ausgabe: Ergebnis = 0.946083 */ }

module integral implicit none contains function f( x, params ) bind(c) use, intrinsic :: iso_c_binding implicit none real( kind = c_double )  :: f real( kind = c_double ), value :: x type( c_ptr ), value  :: params f = sin( x ) / x end function f end module integral program bsp use fgsl use integral use, intrinsic :: iso_c_binding implicit none real( kind = fgsl_double )  :: result, error integer( kind = fgsl_size_t) :: neval integer( kind = fgsl_int)  :: i type( fgsl_function )  :: func func = fgsl_function_init( f, c_null_ptr ) i = fgsl_integration_qng ( func, & 0.0_fgsl_double, & 1.0_fgsl_double, & 1e-9_fgsl_double, & 1e-9_fgsl_double, & result, error, neval ) write( *, * ) "Ergebnis =", result ! Ausgabe: ! Ergebnis = 0.946083070367183 end program bsp

(F)GSL stellt verschiedene Möglichkeiten der numerischen Integration zur Verfügung. Hier wurde die Funktion für den QNG-Algorithmus (non-adaptive Gauss-Kronrod) gewählt.

Beispiel: IEEE-Floating-Point-Arithmetik

Darstellung einer Fließkommazahl nach IEEE 754-Standard:

$(-1)^{s}(1.ffff...)2^{E}\$

Beispielsweise wird eine 32-bit-Fließkommazahl binär so aufgegliedert:

seeeeeeeefffffffffffffffffffffff

• s ... sign, 1 bit
• e, E ... exponent, 8 bit (2⁸ = 256; E_min = -127; E_max = 128)
• f ... fraction, 23 bit

Näheres zum IEEE 754-Standard findet sich z.B. bei IEEE 754

FGSL bietet Subroutinen, um Fießkommazahlen anschaulich entsprechend dem IEEE 754-Standard auszugeben:

• fgsl_ieee_printf( x ) ... Ausgabe der Zahl x im IEEE-Format auf stdout
• fgsl_ieee_fprintf( str, x ) ... Ausgabe der Zahl x im IEEE-Format. str ist ein C-Zeiger (C: FILE *, Fortran: type( c_ptr )).

C	Fortran
#include <gsl/gsl_ieee_utils.h> int main() { float a = 1.5; double b = -2.6666666666666666; gsl_ieee_printf_float( &a ); gsl_ieee_printf_double( &b ); }	program bsp use fgsl implicit none real( kind = fgsl_float )  :: a = 1.5 real( kind = fgsl_double ) :: b = -2.6666666666666666d0 call fgsl_ieee_printf( a ) call fgsl_ieee_printf( b ) end program bsp
Ausgabe: 1.10000000000000000000000*2^0 -1.0101010101010101010101010101010101010101010101010101*2^1

Mit der Subroutine fgsl_ieee_env_setup() lassen sich über die Environment-Variable GSL_IEEE_MODE einige nützliche Attribute (Rundungsmodus etc.) festlegen.

C	Fortran
#include <stdio.h> #include <gsl/gsl_ieee_utils.h> int main() { float a = 1.5; int i; gsl_ieee_env_setup(); for(i = 0; i < 5; i++) { a /= 0.11; printf("%f\n", a); } }	program bsp use fgsl implicit none real  :: a = 1.5 integer :: i call fgsl_ieee_env_setup() do i = 0, 4 a = a / 0.11 write( *, * ) a end do end program bsp
Programmaufruf: GSL_IEEE_MODE="round-to-nearest" ./a.out Ausgabe: GSL_IEEE_MODE="round-to-nearest,trap-common" 13.636364 123.966942 1126.972168 10245.201172 93138.195312	Programmaufruf: GSL_IEEE_MODE="round-to-nearest" ./a.out Ausgabe: GSL_IEEE_MODE="round-to-nearest,trap-common" 13.636364 123.96695 1126.9723 10245.203 93138.21
Programmaufruf: GSL_IEEE_MODE="round-up" ./a.out Ausgabe: GSL_IEEE_MODE="round-up,trap-common" 13.636364 123.966949 1126.972290 10245.203125 93138.210938	Programmaufruf: GSL_IEEE_MODE="round-up" ./a.out Ausgabe: GSL_IEEE_MODE="round-up,trap-common" 13.636364 123.96695 1126.9723 10245.203 93138.21
Programmaufruf: GSL_IEEE_MODE="round-down" ./a.out Ausgabe: GSL_IEEE_MODE="round-down,trap-common" 13.636363 123.966934 1126.972046 10245.200195 93138.179688	Programmaufruf: GSL_IEEE_MODE="round-down" ./a.out Ausgabe: GSL_IEEE_MODE="round-down,trap-common" 13.636363 123.966934 1126.972 10245.2 93138.18

Weblinks

• GSL - GNU Scientific Library
• FGSL: A Fortran interface to the GNU Scientific Library

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Allgemeines

LAPACK steht für "Linear Algebra Package". LAPACK ist eine Bibliothek zwecks Lösung von

• linearen Gleichungssystemen
• LLS-Aufgaben
• Eigenwertproblemen
• Singulärwertproblemen

LAPACK ist in FORTRAN 77 geschrieben und nutzt weitgehend Funktionen von BLAS Level 3. Falls keine für einen bestimmten Prozessor optimierte Version von BLAS, z.B. ATLAS, bereits installiert ist, kann LAPACK mit der eigenen BLAS-Implementierung kompiliert werden. Aus FORTRAN 77 resultierende Namensbeschränkung auf eine maximale Länge von 6 Zeichen führt zu sehr kryptischen Unterprogrammbezeichnungen, z.B.

	D	G	E	T	R	F
Zeichenposition:	D1	M1	M2	O1	O2	O3

Erläuterung der Zeichenpositionen:

D1	Datentyp: S ... real D ... double precision C ... complex Z ... double complex
M1, M2	Matrixtyp, z.B. GE ... generell DI ... diagonal OR ... orthogonal (reelle Zahlen) SY ... symmetrisch
O1, O2, (O3)	Operation, z.B. TRF ... faktorisiere

Eine detailliertere und umfassendere Beschreibung des Funktionsumfanges und der Anwendungsmöglichkeiten der LAPACK-Bibliothek bietet der LAPACK Users' Guide. Die einzelnen Subroutinen inklusive Unterprogrammparameter sind zudem auch in den LAPACK-Sourcecode-Dateien ausführlich dokumentiert.

Beispiel: Lösen eines einfachen Gleichungssystems

Gegeben ist folgendes Gleichungssystem:

$2x+y\ =\ 5$

$3x+y\ =\ 6$

bzw. in Matrixschreibweise:

${\begin{bmatrix}2&1\\3&1\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}x\\y\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}5\\6\\\end{bmatrix}}\Leftrightarrow A\mathbf {x} =B$

Gesucht sind die Unbekannten x und y:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none integer :: info real, dimension(2,2) :: a = reshape ( (/2.,3.,1.,1./), (/2,2/) ) real, dimension(2)  :: b = (/5., 6./), ipiv ! SUBROUTINE SGESV(N, NRHS, A, LDA, IPIV, B, LDB, INFO) ! s ... real, ge ... general matrix type, sv ... solver call sgesv(2, 1, a, 2, ipiv, b, 2, info) write(*,*) "Lösung (x, y): ", b if(info == 0) then write(*,*) "Ergebnis OK" else write(*,*) "Ergebnis NOK" end if ! Ausgabe: Lösung (x, y): 1.000000 3.000000 ! Ausgabe: Ergebnis OK end program bsp

Kompilieren, Linken:

gfortran bsp.f95 -llapack -lblas

Beispiel: Inverse Matrix

Gegeben ist eine 3x3-Matrix

$A={\begin{pmatrix}3&-2&1\\-3&5&0\\2&-1&2\end{pmatrix}}$

die invertiert werden soll. Die Zahlenwerte dieser Matrix A entsprechen einem Beispiel aus Bartsch: Mathematische Formeln, 21. Auflage, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1986, Seite 109, ebenfalls zum Thema "Inverse Matrix".

Verwendet werden hierzu die beiden LAPACK-Subroutinen:

• SGETRF
  • S ... Datentyp: real
  • GE ... Matrixtyp: general
  • TRF ... Operation: LU-Faktorisierung (Dreiecksform)
• SGETRI
  • S ... Datentyp: real
  • GE ... Matrixtyp: general
  • TRI ... Operation: Invertierung einer LU-faktorisierten Matrix

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real, dimension( 3, 3 ) :: A integer, dimension( 3 ) :: ipiv real, dimension( 3 )  :: work integer  :: m = 3, n = 3, lda = 3, lwork = 3, info A = reshape( (/ 3.0, -3.0, 2.0, -2.0, 5.0, -1.0, 1.0, 0.0, 2.0 /), & shape( A ) ) ! LU-Faktorisierung (Dreieckszerlegung) der Matrix A call sgetrf( m, n, A, lda, ipiv, info ) ! Inverse der LU-faktorisierten Matrix A call sgetri( n, A, lda, ipiv, work, lwork, info ) write( *, * ) "Inverse Matrix Ai =", A write( *, * ) "Testweise wie im Bartsch-Beispiel, Ai = 1/11 * (", A * 11, ")" if( info == 0 ) then write( *, * ) "OK" else write( *, * ) "Nicht OK" end if ! Ausgabe: ! Inverse Matrix Ai = 0.909091 0.54545456 -0.63636374 0.2727273 ! 0.36363637 -0.090909116 -0.45454553 -0.2727273 0.81818193 ! Testweise wie im Bartsch-Beispiel, Ai = 1/11 * ( 10.000001 6. -7.000001 ! 3.0000005 4. -1.0000002 -5.000001 -3.0000005 9.000001 ) ! OK end program bsp

Weblinks

• LAPACK - Linear Algebra Package
• LAPACK Search Engine
• LAPACK95 - Fortran95 interface to LAPACK
• Erstellen der LAPACK-Bibliothek mit gfortran

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Parallele Programmierung

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Was ist OpenMP

OpenMP ist die Abkürzung für "Open specifications for Multi Processing" und ist eine API für Fortran und C/C++, die zum Zwecke der parallelen Programmierung mittels Shared-Memory-Ansatz für Mehrprozessor-Systeme erschaffen wurde.

Durch Anwendung von Compiler-Direktiven und spezieller Unterprogramme wird die Abarbeitung von bestimmten Programmkonstrukten auf mehrere Threads aufgeteilt.

Der "Master Thread" mit der Nummer 0 ist in einem OpenMP-Programm standardmäßig immer aktiv. Der Programmierer bestimmt im Programmcode, wann eine Gabelung (fork) in mehrere Threads gefordert wird und wann das Ganze wieder in einen einzelnen Thread vereint werden soll (join).

OpenMP wird schon von vielen Fortran-Compilern unterstützt.

Ein einfaches Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none  ! fork  !$omp parallel num_threads(3)  ! Das nur 1x ausgeben (beim Master Thread) if( omp_get_thread_num() == 0 ) then write( *, * ) 'Insgesamt gibt es ', omp_get_num_threads(), 'Thread(s)' end if  ! Das bei jedem Thread ausgeben write( *, * ) 'Thread ', omp_get_thread_num(), 'ist aktiv'  ! join  !$omp end parallel ! Ausgabe: ! Insgesamt gibt es 3 Thread(s) ! Thread 0 ist aktiv ! Thread 1 ist aktiv ! Thread 2 ist aktiv end program bsp

Unter Umständen muss das Modul omp_lib eingebunden werden. Dieses Modul enthält die interface für die OpenMP-Routinen. Eine mögliche Form des OpenMP-Modus ist am Ende dieses Abschnittes angegeben.

Kompilieren und Linken des Beispielprogramms:

gfortran:	gfortran -fopenmp -o bsp bsp.f90
Intel Fortran Compiler:	ifort -openmp -o bsp bsp.f90

Erläuterung:

• OpenMP-Direktiven werden als Kommentare gekapselt. Bei Verwendung der "free source form" lautet der erste Direktiven-Abschnitt (en. sentinel, dt. Wächter) immer !$omp. Groß-/Kleinschreibung spielt keine Rolle. Es folgt die Anweisung, dass sich nun das Programm gabeln soll (parallel). Die Anzahl der gewünschten Threads wird hier explizit mittels der Option num_threads() festgelegt.
• Verwendete OpenMP-Funktionen:
  • omp_get_thread_num() ... Aktuelle Thread-Nummer
  • omp_get_num_threads() ... Anzahl der Threads
• Beendet wird der parallele Programmteil mit !$omp end parallel

Thread-Erzeugung: Die parallel-Direktive

Wie im vorigen Beispiel bereits angedeutet, wird ein "fork" (die Threaderzeugung) immer mit der Direktive

!$omp parallel [optionen]

eingeleitet und mit

!$omp end parallel

beendet. Es kann hier auch eine Reihe von optionalen Steueranweisungen angegeben werden (siehe vorheriges Beispiel und nachfolgende Beispiele).

Thread-Anzahl bestimmen

• Festlegung im Rahmen der OpenMP-Direktive !$omp parallel über die Option num_threads( nr )
• Mittels OpenMP-Subroutinenaufruf vor dem fork: call omp_set_num_threads( nr )
• Festlegung in der Kommandozeile vor Ausführung des Programmes, z.B.: export OMP_NUM_THREADS=nr
• Default (normalerweise 1 Thread pro CPU)
• Dynamische Anpassung zur Programmlaufzeit per Run-Time-Environment: call omp_set_dynamic( .true. )

Sichtbarkeit/Gültigkeit von Daten

Aufgrund des Shared-Memory-Ansatzes werden Daten standardmäßig zwischen den Threads geteilt. Dieses Verhalten kann aber auch optional geändert werden. Mögliche Varianten für die parallel-Direktive:

• shared ... Solche Daten sind explizit in allen Threads sichtbar und gültig. Eine Änderung solcher Daten in einem Thread wirkt sich auf alle anderen Threads aus.
• private ... Solche Daten sind nur im aktuellen Thread sichtbar und gültig, sie werden beim Eintritt in den parallelen Programmabschnitt nicht speziell initialisiert. Änderungen dieser Werte wirken sich nicht auf nachfolgende serielle Programmteile aus.
• firstprivate ... Ähnlich wie private. Der Unterschied zu private ist, dass solcherart markierte Daten mit dem letztgültigen Wert aus dem vorhergehenden seriellen Programmabschnitt initialisiert werden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none integer :: a, b, c, tnr a = 123 b = 123 c = 123  ! Seriell write( *, * ) 'Seriell:' write( *, * ) 'a = ', a write( *, * ) 'b = ', b write( *, * ) 'c = ', c write( *, * ) '-------------------------------' call omp_set_num_threads( 3 )  !$omp parallel shared( a ) private( b ) firstprivate( c ) write( *, * ) 'Parallel:' tnr = omp_get_thread_num()  ! Aktuelle Threadnummer if( tnr == 0 ) then a = a + 5 b = b + 5 c = c + 5 end if write( *, * ) 'a = ', a write( *, * ) 'b = ', b write( *, * ) 'c = ', c write( *, * ) '-------------------------------'  !$omp end parallel  ! Seriell write( *, * ) 'Seriell:' write( *, * ) 'a = ', a write( *, * ) 'b = ', b write( *, * ) 'c = ', c end program bsp

Ausgabe:

Seriell:
a =          123
b =          123
c =          123
-------------------------------
Parallel:           0
a =          128
b =            5
c =          128
-------------------------------
Parallel:           1
a =          128
b =            0
c =          123
-------------------------------
Parallel:           2
a =          128
b =            0
c =          123
-------------------------------
Seriell:
a =          128
b =          123
c =          123

Für andere OpenMP-Direktiven sind auch noch andere Sichtbarkeits- und Gültigkeitsbereiche möglich (z.B. lastprivate).

Die do-Direktive

Innerhalb eines parallel-Blocks können auch do-Schleifen parallelisiert werden. Die Schleifendurchläufe werden auf die einzelnen Threads bzw. CPUs aufgeteilt.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none integer :: i, tnr call omp_set_num_threads( 3 )  !$omp parallel private( i )  !$omp do do i = 1, 20 tnr = omp_get_thread_num()  ! Aktuelle Threadnummer write( *, * ) 'Thread', tnr, ':', i end do  !$omp end do  !$omp end parallel end program bsp

Ausgabe:

Thread           0 :           1
Thread           0 :           2
Thread           0 :           3
Thread           0 :           4
Thread           0 :           5
Thread           0 :           6
Thread           0 :           7
Thread           1 :           8
Thread           1 :           9
Thread           1 :          10
Thread           1 :          11
Thread           1 :          12
Thread           1 :          13
Thread           1 :          14
Thread           2 :          15
Thread           2 :          16
Thread           2 :          17
Thread           2 :          18
Thread           2 :          19
Thread           2 :          20

Die Zuweisung der Schleifendurchläufe an die Threads kann gesteuert werden. Dazu wird der do-Direktive eine schedule-Anweisung mit dem Argument Typ und ev. auch mit dem Argument Chunk-Größe beigefügt. Als Typen sind möglich

• static
• dynamic
• guided
• runtime

Diese Bezeichnungen beziehen sich auf die Art der Thread-Erzeugung.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none integer :: i, tnr call omp_set_num_threads( 3 )  !$omp parallel private( i )  !$omp do schedule(static, 3) do i = 1, 20 tnr = omp_get_thread_num()  ! Aktuelle Threadnummer write( *, * ) 'Thread', tnr, ':', i end do  !$omp end do  !$omp end parallel end program bsp

Ausgabe:

Thread           0 :           1
Thread           0 :           2
Thread           0 :           3
Thread           0 :          10
Thread           0 :          11
Thread           0 :          12
Thread           0 :          19
Thread           0 :          20
Thread           1 :           4
Thread           1 :           5
Thread           1 :           6
Thread           1 :          13
Thread           1 :          14
Thread           1 :          15
Thread           2 :           7
Thread           2 :           8
Thread           2 :           9
Thread           2 :          16
Thread           2 :          17
Thread           2 :          18

Eine do while-Schleife kann nicht auf diese Art und Weise mittels OpenMP-Direktive parallel ausgeführt werden.

Die sections-Direktive

Auch die Festlegung, dass bestimmte Programmabschnitte auf je einen Thread verteilt werden sollen, ist möglich. Dazu wird das Konstrukt

!$omp sections [optionen]
  !$omp section
    block
  !$omp section
    block
  ...
!$omp end sections

innerhalb eines parallel-Blocks eingesetzt.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none integer :: a, b a = 20 b = 30 call omp_set_num_threads( 3 )  !$omp parallel shared( a, b )  !$omp sections  !$omp section write( *, * ) omp_get_thread_num(), a write( *, * ) omp_get_thread_num(), "---"  !$omp section write( *, * ) omp_get_thread_num(), b write( *, * ) omp_get_thread_num(), "----"  !$omp end sections  !$omp end parallel ! Ausgabe (ifort): ! 0 20 ! 0 --- ! 1 30 ! 1 ---- end program bsp

Weitere Direktiven

• workshare
• single

Kombinierte Direktiven

Unmittelbar aufeinanderfolgende Einzeldirektiven können auch in einer einzigen Direktive zusammengefasst werden. Möglich sind

• parallel do
• parallel sections
• parallel workshare

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none integer :: i, tnr call omp_set_num_threads( 3 )  !$omp parallel do private(i) schedule(static, 3) do i = 1, 20 tnr = omp_get_thread_num()  ! Aktuelle Threadnummer write( *, * ) 'Thread', tnr, ':', i end do  !$omp end parallel do end program bsp

Eine zusammengehörende OpenMP-Direktive darf auch auf mehrere Zeilen verteilt werden.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none integer :: i, tnr call omp_set_num_threads( 3 )  !$omp parallel do &  !$omp private(i) &  !$omp schedule(static, 3) do i = 1, 20 tnr = omp_get_thread_num()  ! Aktuelle Threadnummer write( *, * ) 'Thread', tnr, ':', i end do  !$omp end parallel do end program bsp

Synchronisation

Bei der parallelen Programmierung können Situationen auftreten, die bei einer seriellen Programmausführung nie passieren würden, z.B. race conditions. Damit es nicht soweit kommt, bietet OpenMP einige Direktiven zur Synchronisation der Threadausführung.

master-Direktive

!$omp master
  ...
!$omp end master 

Der eingeschlossene Programmblock wird nur vom Master Thread ausgeführt und von den anderen Threads ignoriert.

critical-Direktive

!$omp critical
  ...
!$omp end critical

Dieser Programmteil wird zwar von allen Threads ausgeführt, allerdings ist sichergestellt, dass dies nicht gleichzeitig erfolgt.

atomic-Direktive

!$omp atomic

Ähnlich zu critical. Allerding gilt dies Direktive nur für eine einzelne unmittelbar nachfolgende spezielle Programmanweisung.

barrier-Direktive

!$omp barrier

Sobald ein Thread eine solche Barriere erreicht, wartet er bis alle andere Threads diese Barriere auch erreicht haben. Erst dann geht's weiter.

flush-Direktive

!$omp flush

Erstellung eines konsistenten Speicherbildes.

ordered-Direktive

!$omp do ordered
  do ...
    ...
    !$omp ordered
      ...
    !$omp end ordered 
    ...
  end do
!$omp end do

"Geordnete Ausführung" von do-Schleifen in der gleichen Reihenfolge einer seriellen Abarbeitung.

Beispiel:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp use omp_lib implicit none integer :: i, tnr call omp_set_num_threads( 3 )  !$omp parallel private( i )  !$omp do ordered schedule(static, 3) do i = 1, 20  !$omp ordered tnr = omp_get_thread_num()  ! Aktuelle Threadnummer write( *, * ) 'Thread', tnr, ':', i  !$omp end ordered end do  !$omp end do  !$omp end parallel end program bsp

Ausgabe:

Thread           0 :           1
Thread           0 :           2
Thread           0 :           3
Thread           1 :           4
Thread           1 :           5
Thread           1 :           6
Thread           2 :           7
Thread           2 :           8
Thread           2 :           9
Thread           0 :          10
Thread           0 :          11
Thread           0 :          12
Thread           1 :          13
Thread           1 :          14
Thread           1 :          15
Thread           2 :          16
Thread           2 :          17
Thread           2 :          18
Thread           0 :          19
Thread           0 :          20

Das Modul omp_lib

Das Modul omp_lib enthält die interface für die Routinen von OpenMP. Eine mögliche Form des Modules ist nachfolgend abgebildet. In dem Modul wird die import-Anweisung verwendet, die Teil des Standards Fortran 2003 ist.

Fortran 90/95-Code (free source form)

module omp_lib ! ! OpenMP Fortran API v2.5 ! implicit none integer, parameter, private :: sgl = kind( 0.0 ) integer, parameter, private :: dbl = kind( 0.0d0 ) integer, parameter, private :: omp_real_kind = dbl integer, parameter, private :: omp_integer_kind = sgl integer, parameter, private :: omp_logical_kind = sgl integer, parameter, private :: omp_lock_kind = dbl integer, parameter, private :: omp_nest_lock_kind = dbl interface subroutine omp_destroy_lock ( var ) import :: omp_lock_kind integer ( kind=omp_lock_kind ), intent(inout) :: var end subroutine omp_destroy_lock subroutine omp_destroy_nest_lock ( var ) import :: omp_nest_lock_kind integer ( kind=omp_nest_lock_kind ), intent(inout) :: var end subroutine omp_destroy_nest_lock function omp_get_dynamic () import :: omp_logical_kind logical ( kind=omp_logical_kind ) :: omp_get_dynamic end function omp_get_dynamic function omp_get_max_threads () import :: omp_integer_kind integer ( kind=omp_integer_kind ) :: omp_get_max_threads end function omp_get_max_threads function omp_get_nested () import :: omp_logical_kind logical ( kind=omp_logical_kind ) :: omp_get_nested end function omp_get_nested function omp_get_num_procs () import :: omp_integer_kind integer ( kind=omp_integer_kind ) :: omp_get_num_procs end function omp_get_num_procs function omp_get_num_threads () import :: omp_integer_kind integer ( kind=omp_integer_kind ) :: omp_get_num_threads end function omp_get_num_threads function omp_get_thread_num () import :: omp_integer_kind integer ( kind=omp_integer_kind ) :: omp_get_thread_num end function omp_get_thread_num function omp_get_wtick () import :: omp_real_kind real ( kind=omp_real_kind ) :: omp_get_wtick end function omp_get_wtick function omp_get_wtime () import :: omp_real_kind real ( kind=omp_real_kind ) :: omp_get_wtime end function omp_get_wtime subroutine omp_init_lock ( var ) import :: omp_lock_kind integer ( kind=omp_lock_kind ), intent(out) :: var end subroutine omp_init_lock subroutine omp_init_nest_lock ( var ) import :: omp_nest_lock_kind integer ( kind=omp_nest_lock_kind ), intent(out) :: var end subroutine omp_init_nest_lock function omp_in_parallel () import :: omp_logical_kind logical ( kind=omp_logical_kind ) :: omp_in_parallel end function omp_in_parallel subroutine omp_set_dynamic ( enable_expr ) import :: omp_logical_kind logical ( kind=omp_logical_kind ), intent(in) :: enable_expr end subroutine omp_set_dynamic subroutine omp_set_lock ( var ) import :: omp_lock_kind integer ( kind=omp_lock_kind ), intent(inout) :: var end subroutine omp_set_lock subroutine omp_set_nest_lock ( var ) import :: omp_nest_lock_kind integer ( kind=omp_nest_lock_kind ), intent(inout) :: var end subroutine omp_set_nest_lock subroutine omp_set_nested ( enable_expr ) import :: omp_logical_kind logical ( kind=omp_logical_kind ), intent(in) :: enable_expr end subroutine omp_set_nested subroutine omp_set_num_threads ( number_of_threads_expr ) import :: omp_integer_kind integer ( kind=omp_integer_kind ), intent(in) :: number_of_threads_expr end subroutine omp_set_num_threads function omp_test_lock ( var ) import :: omp_logical_kind, omp_lock_kind logical ( kind=omp_logical_kind ) :: omp_test_lock integer ( kind=omp_lock_kind ), intent(inout) :: var end function omp_test_lock function omp_test_nest_lock ( var ) import :: omp_integer_kind, omp_nest_lock_kind integer ( kind=omp_integer_kind ) :: omp_test_nest_lock integer ( kind=omp_nest_lock_kind ), intent(inout) :: var end function omp_test_nest_lock subroutine omp_unset_lock ( var ) import :: omp_lock_kind integer ( kind=omp_lock_kind ), intent(inout) :: var end subroutine omp_unset_lock subroutine omp_unset_nest_lock ( var ) import :: omp_nest_lock_kind integer ( kind=omp_nest_lock_kind ), intent(inout) :: var end subroutine omp_unset_nest_lock end interface end module omp_lib

Literatur

• Rohit Chandra, Leonardo Dagum, Dave Kohr, Dror Maydan, Jeff McDonald, Ramesh Menon, Parallel Programming in OpenMP, Morgan Kaufmann Publishers, 2001, ISBN-13: 978-1-55860-671-5, ISBN-10: 1-55860-671-8

Weblinks

• OpenMP
• OpenMP-Homepage
• OpenMP Fortran Summary

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Fortran und Tcl

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Tcl/Tk kann im Zusammenhang mit Fortran zwecks Erstellung einer Tk-Benutzeroberfläche für Fortran-Programme interessant sein. Die zeitkritischen oder mathematisch orientierten Programmteile werden mittels Fortran-Code realisiert. Der Programmcode für die Benutzerschnittstelle wird mittels Tcl/Tk-Skript zur Verfügung gestellt.

Beispiel

Prinzipskizze

Tcl/Tk-Code

#!/usr/bin/wish
 
wm title . Sinus                                ;# Fenstertitel
 
entry  .e1                                      ;# Eingabefeld 
button .b1 -text "Hier drücken" -command fcall  ;# Schaltfläche
label  .l1 -bg green                            ;# Textfeld
 
pack .e1 -padx 10 -pady 5                       ;# Widgets packen
pack .b1 -padx 10 -pady 5
pack .l1 -padx 10 -pady 5
 
proc fcall { } {                                ;# Kommunikation mit Fortran, Ergebnis schreiben 
  set f [open "|./a.out" r+]                    ;# a.out ist das kompilierte und gelinkte Fortran-Programm
  set val [.e1 get]
 
  puts $f $val
  flush $f
  
  gets $f wert
  close $f
   
  .l1 config -text $wert
}

Fortran-Code

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none real :: val, sin read (*,*) val write(*,'(A12,F6.3)') "Ergebnis = ", sin(val) end

Programmausführung

Das Fortran-Programm muss selbstverständlich vorab einmal kompiliert und gelinkt werden. Im Beispielsfall muss die exekutierbare Ausgabedatei a.out heißen. Unter Linux wird das Tcl-Skript vor dem ersten Start als ausführbar (-> mittels chmod-Befehl) markiert. Der Programmaufruf erfolgt über das Tcl-Skript, das wie ein normales Programm durch Eingabe des Programmnamens gestartet wird.

Ergebnis

Alternativen

Tcl/Tk bietet eine Schnittstelle zur Programmiersprache C (tcl.h, tk.h, libtcl*.so, libtk*.so). Mit dem im nächsten Kapitel behandelten Fortran-C-Binding kann auf diese C-Funktionen zugegriffen werden. Die Ftcl-Bibliothek nutzt diesen Mechanismus.

Weblinks

• Tcl/Tk-Homepage
• Programming:Tcl (englischsprachiges Wikibook)
• Ftcl: Using Tcl in Fortran programs and vice versa

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Fortran und C

Interface

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Ein Interface ist die Schnittstellendefinition zu einem externen Unterprogramm. Das externe Unterprogramm kann, muss aber nicht in Fortran geschrieben sein.

interface Spezifikation der externen Unterprogramme end interface

Beispiel:

interface
  ! subroutine x(a, b, c) sei ein externes Unterprogramm
  subroutine x(a, b, c)
    real, intent(in) :: a
    integer          :: b, c
  end subroutine x
end interface

call x(2.5, 1, 3)

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Fortran 90/95

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In Fortran 90/95 ist der Zugriff auf C-Funktionen nicht standardisiert. Derartige Zugriffe sind compilerabhängig zu lösen. Es sind je nach verwendetem Fortran-Compiler verschiedene Compilerdirektiven zu setzen, Optionen beim Compileraufruf und ähnliches zu beachten. Fortran 2003 bietet eine standardisierte Schnittstelle für den Zugriff auf C-Funktionen.

g95 (gfortran) und gcc

Beispiel: "call by value" und "call by reference"

Fortran übergibt die Argumente eines Unterprogrammes standardmäßig "call by reference". Im Zusammenspiel mit C besteht nun das Problem, dass in C Argumente "call by reference" via Pointer oder "call by value" übergeben werden . In g77, g95 und gfortran ist die Funktion %val inkludiert, mit der auch in Fortran der "call by value"-Mechanismus nachgebildet werden kann.

Fortran-Code bsp.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface subroutine zahl(a, b) integer :: a, b end subroutine zahl end interface call zahl(%val(5), 7) end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

#include <stdio.h> void zahl(int a, int *b) { printf("%s%d\n", "Ergebnis = ", a * *b); }

Compilieren und Linken:

gcc -c -o bsp1.o bsp.c
g95 -c -fno-underscoring -o bsp2.o bsp.f90 
g95 bsp1.o bsp2.o

Ausgabe:

Ergebnis = 35

Beispiel: Übergabe von Zeichenketten

In C sind Strings im Gegensatz zu Fortran Null-terminiert. Dies muss beim Aufruf einer C-Prozedur aus Fortran berücksichtigt werden.

Fortran Code bsp.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface subroutine hallo(str) character(*) :: str end subroutine end interface call hallo("Hallo, Sonne" // char(0))  ! char(0) -> Nulltermination für C call hallo("Hallo, Protuberanz" // char(0))  ! char(0) -> Nulltermination für C call hallo("Hallo, Mond")  ! keine Nulltermination ! Ausgabe: ! Hallo, Sonne ! Hallo, Protuberanz ! Hallo, Mond ... More segments remain end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

#include <stdio.h> void hallo(char *str) { printf("%s\n", str); }

Compilieren und Linken:

gcc -c -o bsp1.o bsp.c
g95 -c -fno-underscoring -o bsp2.o bsp.f90 
g95 bsp1.o bsp2.o

Beispiel: Rückgabewert

Die Rückgabe eines Wertes einfachen Datentyps aus einer C-Funktion nach Fortran stellt kein Problem dar. Es ist einzig zu beachten, dass der Datentyp in C und Fortran übereinstimmt.

Fortran-Code bsp.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface function zahl(x, y) integer :: zahl integer :: x, y end function end interface integer :: res res = zahl(%val(76), %val(32)) write(*,*) res ! Ausgabe: 108 end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

int zahl(int a, int b) { return (a+b); }

ifort und gcc

Beispiel: "call by value" und "call by reference"

Fortran-Code bsp.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface subroutine zahl(a, b) !dec$ attributes c :: zahl !dec$ attributes reference :: b integer :: a, b end subroutine zahl end interface call zahl(5, 7) end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

#include <stdio.h> void zahl(int a, int *b) { printf("%s%d\n", "Ergebnis = ", a * *b); }

Compilieren, Linken:

gcc -c -o bsp1.o bsp.c
ifort -c -o bsp2.o bsp.f90
ifort bsp1.o bsp2.o

Ausgabe:

Ergebnis = 35

Beispiel: Übergabe von Zeichenketten

Fortran-Code bsp.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface subroutine hallo(str) !dec$ attributes c :: hallo !dec$ attributes reference :: str character(*) :: str end subroutine end interface call hallo("Hallo, Sonne" // char(0))  ! char(0) -> Nulltermination call hallo("Hallo, Protuberanz"C)  ! C -> Nulltermination (bei Intel-Fortran-Compiler) call hallo("Hallo, Mond")  ! keine explizite Nullterminiation ! Ausgabe: ! Hallo, Sonne ! Hallo, Protuberanz ! Hallo, Mond end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

#include <stdio.h> void hallo(char *str) { printf("%s\n", str); }

Compilieren und Linken:

gcc -c -o bsp1.o bsp.c
ifort -c -o bsp2.o bsp.f90
ifort bsp1.o bsp2.o

Beispiel: Rückgabewert

Fortran-Code bsp.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp implicit none interface function zahl(x, y) !dec$ attributes c :: zahl integer :: zahl integer :: x, y end function end interface integer :: res res = zahl(76, 32) write(*,*) res ! Ausgabe: 108 end program bsp

C-Code bsp.c:

Fortran 90/95-Code (free source form)

int zahl(int a, int b) { return (a+b); }

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Fortran 2003

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In Fortran 2003 ist es viel einfacher auf C zu zugreifen, als in Fortran 95. Es wurde im Fortran 2003-Standard ein intrinsisches Modul namens iso_c_binding vorgesehen, das die zum Zugriff auf C-Programme nötigen Elemente enthält.

Ein einfaches Beispiel

Beispiel funktioniert mit Compiler

• g95 (0.91!) May 10 2007: ja
• gfortran 4.3.0 20070723 (experimental): ja
• Intel Fortran Compiler 10.0: ja
• Sun Studio Express - June 2007: ja

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Anmerkungen:

Fortran 2003-Code: bsp.f95

Fortran 2003-Code

program bsp implicit none interface function addition( a, b ) bind( c[, name="c_func"] ) use, intrinsic :: iso_c_binding real( kind = c_float ), value :: a real( kind = c_float ), value :: b real( kind = c_float )  :: addition end function addition end interface write (*,*) addition( 2.5, 3.3 ) ! Ausgabe: 5.8 end program bsp

C-Code: bsp.c

Programmcode

float addition(float a, float b) { return (a + b); }

Makefile:

Programmcode

FC = g95 # oder gfortran, ... CC = gcc # oder icc, ... bsp: bsp_c.o bsp_f95.o $(FC) -o bsp bsp_c.o bsp_f95.o bsp_c.o: bsp.c $(CC) -c -o bsp_c.o bsp.c bsp_f95.o: bsp.f95 $(FC) -c -o bsp_f95.o bsp.f95 .PHONY: clean clean: rm *.o

Was ist neu gegenüber Fortran 95?

bind( c[, name="c_func"] )	...	bind-Attribut, stellt unter anderem die Interoperabilität mit C bezüglich Prozedurnamenskonventionen nach der Übersetzung sicher. Mittels des optionalen Arguments "name" kann die Funktion in Fortran umbenannt werden. "c_func" ist dabei der Name der Funktion in C.
use, intrinsic :: iso_c_binding	...	Einbindung des intrinsischen Moduls iso_c_binding
real( kind = c_float )	...	C-Datentyp float.
value	...	call by value

Datentyp-Zuordnung

Das iso_c_binding-Modul stellt benannte Konstanten zur Verfügung, die bei Fortran-Datentypen als kind-Wert zu verwenden sind, um den jeweiligen C-Datentyp zu charakterisieren. Weist eine solche Konstante einen negativen Wert auf, dann ist keine Entsprechung von Fortran-Datentyp zu C-Datentyp vorhanden.

Fortran-Datentyp	Benannte iso_c_binding-Konstante (kind-Wert)	C-Datentyp
integer	c_int	int
	c_short	short int
	c_long	long int
	c_long_long	long long int
	c_signed_char	signed char, unsigned char
	c_size_t	size_t
	c_int8_t	int8_t
	c_int16_t	int16_t
	c_int32_t	int32_t
	c_int64_t	int64_t
	c_int_least8_t	int_least8_t
	c_int_least16_t	int_least16_t
	c_int_least32_t	int_least32_t
	c_int_least64_t	int_least64_t
	c_int_fast8_t	int_fast8_t
	c_int_fast16_t	int_fast16_t
	c_int_fast32_t	int_fast32_t
	c_int_fast64_t	int_fast64_t
	c_intmax_t	intmax_t
	c_intptr_t	intptr_t
real	c_float	float
	c_double	double
	c_long_double	long double
complex	c_float_complex	float _Complex
	c_double_complex	double _Complex </