Fortran

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Einleitung

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Fortran

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.^[1]

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.

Referenzen

↑ Vorwort von Michael Metcalf in: W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery: Numerical Recipes in Fortran 90. Cambridge University Press, 1999, ISBN 0-521-57439-0.

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.

Gfortran

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

Fortran: Ifort

Allgemeines

Intel Fortran Essentials ist ein Fortran-Compiler-Paket, das dzt. kostenfrei verfügbar ist.

Installation

Der Download kann aktuell über die Seite [4] erfolgen (Continue as a Guest (download starts immediately)).
Die eigentliche Installation des Intel Fortran Compilers erfolgt, indem man das heruntergeladene komprimierte Software-Paket im Explorer doppelklickt.

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 ifx gestartet
Die Intel Fortran Compiler-Software kennt die Dateiendungen .f95 und .F95 (oder höher) nicht

Übersetzung einer Quelldatei in die ausführbare Datei a.out:

ifx bsp.f90

Übersetzung einer Quelldatei in eine Objektdatei bsp.o:

ifx -c bsp.f90

Übersetzung einer Quelldatei in die ausführbare Datei bsp:

ifx -o bsp bsp.f90

Mehrere Quelldateien kompilieren und zu einer ausführbaren Datei linken:

ifx -c bsp1.f90

ifx -c bsp2.f90

ifx -o bsp bsp1.o bsp2.o

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

ifx -o bsp bsp1.f90 bsp2.f90

Weblinks

Developer Toolkits

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 Python, C++ und Java. 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 Oktober 2024 wieder die 9. 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 (z.B. weitergehende Interoperabilität mit C, zusätzliche parallele Features, Konformität mit ISO/IEC/IEEE 60559:2011)
2023	Fortran 2023	viele kleinere Änderungen

Siehe auch:

Programmaufbau

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

PROGRAM prname
Vereinbarungsteil
Aktionsteil
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.

Datentypen, Variablen, Wertzuweisungen, Konstanten

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

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

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

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

Klammerung
Arithmetische Operatoren
Vergleichsoperatoren
Logische Operatoren
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.

Verzweigungen und Schleifen

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

Standardfunktionen

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)

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

Unterprogramme

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

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^[1]-Konstanten dar. Eine Hollerith-Konstante besteht aus

Einer positiven Ganzzahl, welche die Zeichenkettenlänge angibt
Dem Buchstaben H
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.

↑ Herman Hollerith (* 1860, † 1929), Erfinder des Hollerith-Lochkartenverfahrens, Herman Hollerith

Programmaufbau

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:

program Name
Vereinbarungsteil
Aktionsteil
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.

Datentypen, Variablen, Wertzuweisungen, Konstanten

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

Felder

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

Arithmetische Ausdrücke

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

Logische Ausdrücke

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

Klammerung () bindet am stärksten
.NOT.
.AND.
.OR.
.EQV., bzw. .NEQV.

Vergleichsausdrücke

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

Klammerung
Arithmetische Operatoren
Vergleichsoperatoren
Logische Operatoren

Stringoperationen

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

Verzweigungen und Schleifen

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

Datentypen höherer Genauigkeit

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

Datenverbund

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.

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

Unterprogramme

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.

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 [, 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

Zeiger

Was sind Zeiger?

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

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 Positionen weitergesetzt  
  pntr => pntr%next                                                               
  DEALLOCATE(tmp%next)      ! tmp%next wird gelöscht
  tmp%next => pntr          ! Verbindung wird neu gesetzt 
 END SUBROUTINE

Vektoren- und Matrizenrechnung

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

Systemroutinen

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.

Von der modularen zur objektorientierten Programmierung

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

Klassen - Datenkapselung und Datenabstraktion
Objekte
Vererbung
Statische Polymorphie: Überladen von Funktionen (und Operatoren)
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?

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

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

Weiterführende Literatur

Offizielle Fortran 95-Erweiterungen

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

Programmaufbau

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: &. Mit Fortran 2023 wurden diese Beschränkungen deutlich aufgeweicht. Eine Zeile darf nun 10000 Zeichen enthalten. Eine Anweisung darf nun insgesamt aus 1 Mio. Zeichen bestehen.

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 (oder neuer)-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:

gfortran -o bsp bsp.f03

Der Block

Beispiel:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program block
  implicit none
  real a
  a = 3.1415

  block
    real a
    a = 2.7182
    print *, a
  end block

  print *, a
end program block

Ausgabe:

2.71819997
3.14150000

Datentypen

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 Ergänzungen:

Unterstützung internationaler Zeichensätze in Rahmen der ISO 10646-Norm ( Universal Coded Character Set). Im Kapitel iso_fortran_env ist ein kleines Beispiel zu diesem Thema zu finden.
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.
Zeichenkette (String) mit variabler Länge von Zeichen: character(:), allocatable

Ein Beispiel mit einem String variabler Länge:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  implicit none

  character(:), allocatable :: str

  str = "Hallo"
  print *, str
  print *, "Laenge = ", len(str), " Zeichen"
  ! Ausgabe:
  ! Hallo
  ! Laenge =            5  Zeichen

  str = "Hallo, Welt"
  print *, str
  print *, "Laenge = ", len(str), " Zeichen"
  ! Ausgabe:
  ! Hallo, Welt
  ! Laenge =           11  Zeichen
end program bsp

Ab Fortran 2008 kann auf den Real- und Imaginärteil von komplexen Zahlen mittels %-Datenverbund-Zeichen zugegriffen werden:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  implicit none

  complex img

  img%re = 1.5
  img%im = img%re + 2.5

  print *, img

  ! Ausgabe
  !   (1.50000000,4.00000000)
end program bsp

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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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

Felder

Ein mehrdimensionales Feld kann ab Fortran 2008 maximal 15-dimensional gestaltet werden.

Ein benanntes konstantes Feld kann wie folgt initialisiert werden. Die obere Feldgrenze wird durch den Stern (*) ersetzt. Durch den array constructor wird die Feldgröße automatisch festgelegt:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  implicit none

  integer, parameter, dimension(1:*) :: arr1      = [1, 2, 3, 4, 5]
  integer, parameter                 :: arr2(0:*) = [0, 1, 2]

  print *, arr1
  print *, arr1(2) 

  print *, arr2 
  print *, arr2(2)

  ! Ausgabe:
  !        1           2           3           4           5
  !        2
  !        0           1           2
  !        2  
end program bsp

Zeiger

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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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.

Ein- und Ausgabe

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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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

Asynchrone I/O

Rekursive I/O

Sonstiges

Weblinks

Stream Input/Output in Fortran

Intrinsische Funktionen und Subroutinen

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. Mit Fortran 2008 wurde eine Reihe von Funktionen neu aufgenommen (z.B. für die Bit-Verarbeitung, Bessel-, Gamma- und Fehlerfunktion, euklidische Vektornormen). Neu in Fortran 2023 sind u.a. etliche Winkel- und Arkusfunktionen, sowie String-Unterprogramme.

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

Mathematische Funktionen

Trigonometrische Funktionen

Funktion	Beschreibung
r = acosd ( r )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Arkus-Cosinus. Gibt den berechneten Wert in Grad (und nicht in Radiant wie bei acos) zurück.
r = asind ( r )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Arkus-Sinus. Gibt den berechneten Wert in Grad (und nicht in Radiant wie bei asin) zurück.
r = atand ( r )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Arkus-Tangens. Gibt den berechneten Wert in Grad (und nicht in Radiant wie bei atan) zurück.
r = atan2d ( r1, r2 )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Arkus-Tangens. Gibt den berechneten Wert in Grad (und nicht in Radiant wie bei atan) zurück.
r = atand ( r1, r2 )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Arkus-Tangens. Gleich wie atan2d( r1, r2 ).
r = cosd ( r )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Cosinus. Das Argument ist in der Einheit Grad anzugeben (und nicht in Radiant wie bei cos).
r = sind ( r )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Sinus. Das Argument ist in der Einheit Grad anzugeben (und nicht in Radiant wie bei sin).
r = tand ( r )	Ab Fortran 2023. Berechnet den Tangens. Das Argument ist in der Einheit Grad anzugeben (und nicht in Radiant wie bei tan).

Fehler- und Gamma-Funktion

Funktion	Beschreibung
r = erf ( r )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Fehler-Funktion $\operatorname {erf} (x)={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\int _{0}^{x}e^{-t^{2}}\,\mathrm {d} t$
r = erfc ( r )	Ab Fortran 2008. Berechnet $1-\operatorname {erf} (x)$
r = erfc_scaled ( r )	Ab Fortran 2008. Berechnet $e^{x^{2}}(1-\operatorname {erf} (x))$
r = gamma ( r )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Gamma-Funktion $\Gamma (x)=\int _{0+}^{\infty }\mathrm {e} ^{-t}t^{x-1}\mathrm {d} t$ für $x>0$
r = log_gamma ( r )	Ab Fortran 2008. Berechnet den natürlichen Logarithmus der Gamma-Funktion

Besselsche Funktion

Die Bessel-Funktion $J_{\nu }$ erster Art $\nu$ -ter Ordnung ist definiert als (Details siehe Bessel-Funktion)

$J_{\nu }(x)=\sum _{r=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{r}\left({\frac {x}{2}}\right)^{2r+\nu }}{\Gamma (\nu +r+1)r!}}\,$

Funktion	Beschreibung
r = bessel_j0 ( r )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Bessel-Funktion 1 .Art und 0. Ordnung
r = bessel_j1 ( r )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Bessel-Funktion 1. Art und 1. Ordnung
r = bessel_jn ( i, r )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Bessel-Funktion 1. Art und i. Ordnung ( $i\in \mathbb {N} _{0}$ )

Die Bessel-Funktion $Y_{n}$ zweiter Art $n$ -ter Ordnung ist definiert als

$Y_{n}(x)=\lim _{\nu \to n}{\frac {J_{\nu }(x)\cos(\nu \pi )-J_{-\nu }(x)}{\sin(\nu \pi )}}.$

Funktion	Beschreibung
r = bessel_y0 ( r1 )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Bessel-Funktion 2. Art und 0. Ordnung ( $r1\in \mathbb {R} ^{+}$ )
r = bessel_y1 ( r1 )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Bessel-Funktion 2. Art und 1. Ordnung ( $r1\in \mathbb {R} ^{+}$ )
r = bessel_yn ( i, r1 )	Ab Fortran 2008. Berechnet die Bessel-Funktion 2. Art und i. Ordnung ( $r1\in \mathbb {R} ^{+}$ , $i\in \mathbb {N} _{0}$ )

Euklidische Vektornormen

Funktion Beschreibung

r = norm2 ( ra )

Ab Fortran 2008. Gibt die euklidische Vektornorm (

r={\sqrt {ra1^{2}+ra2^{2}+...+ran^{2}}}

) zurück. ra sei ein Array mit reellen Elementen.

Bsp.:

program main
   implicit none

   print *, norm2([2., 3., 1.])
end program main

Ausgabe:

  3.741657

r = hypot ( r1, r2 ) Ab Fortran 2008. Gibt die euklidische Vektornorm ( $r={\sqrt {r1^{2}+r2^{2}}}$ ) zurück. r1 und r2 seien reelle Zahlen. hypot steht vermutlich als Abkürzung für "Hypotenuse"

Bit-Verarbeitung

Funktion	Beschreibung
l = bge ( i1, i2 )	Ab Fortran 2008. Gibt den Wert true zurück, wenn i1 bitweise größer oder gleich i2 ist, z.B. program main implicit none print , bge( B'101110110001', B'11001' ) print , bge( B'101', B'11001' ) print *, bge( 10, -1 ) end program main Ausgabe: T F F Warum ist -1 bitweise größer als 10? Antwort: -1 entspricht binär B'11111111111111111111111111111111' und 10 entspricht binär B'1010' (siehe auch Zweierkomplement)
l = bgt ( i1, i2 )	Ab Fortran 2008. Gibt den Wert true zurück, wenn i1 bitweise größer i2 ist
l = ble ( i1, i2 )	Ab Fortran 2008. Gibt den Wert true zurück, wenn i1 bitweise kleiner oder gleich i2 ist
l = blt ( i1, i2 )	Ab Fortran 2008. Gibt den Wert true zurück, wenn i1 bitweise kleiner i2 ist
i = leadz ( i1 )	Ab Fortran 2008. Gibt die Anzahl der führenden Null-Bits in i1 zurück. Bsp.: program main implicit none print *, leadz( 20 ) end program main Ausgabe: 27 Die Dezimalzahl 20 entspricht der binären Zahl B'10100'. D.h. bei einer 32-bit-Zahl sind 27 führende Null-Bits vorhanden (27 + 5 = 32).
i = popcnt ( i1 )	Ab Fortran 2008. Gibt die Anzahl der 1-Bits in i1 zurück . Bsp.: program main implicit none print , popcnt( 25 ) print , popcnt( B'11001' ) end program main Ausgabe: 3 3

Zeichenketten-Verarbeitung

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.

Intrinsische Module

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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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

Beispiel (Ausgabe eines Unicode-Zeichens, siehe auch Programming in Modern Fortran - Unicode):

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
    use, intrinsic :: iso_fortran_env, only: output_unit
    implicit none
    
    integer, parameter :: iso_10646 = selected_char_kind('ISO_10646')
    character(kind=iso_10646) :: c
  
    ! Das €-Zeichen
    c = iso_10646_'\u20AC'

    open (output_unit, encoding='UTF-8')
    print *, c

    ! Ausgabe:
    !   €
end program bsp

Compiler-Aufruf:

gfortran.exe bsp.f08 -fbackslash

Die Compiler-Option -fbackslash übersetzt u.a. \xnn, \unnnn und \Unnnnnnnn (n sind hexadezimale Ziffern) in Unicode-Zeichen. Steht diese Option in einem Compiler nicht zur Verfügung, so gibt es auch noch andere Möglichkeiten Unicode-Zeichen zu verarbeiten. Details dazu siehe unter obenstehenden Link.

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, [5]
Kahan, W.: Lecture Notes on the Status of IEEE Standard 754 for Binary Floating-Point Arithmetic, UC Berkeley, 1996, [6]

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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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.

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.

Grafik und GUI

DISLIN

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

Dislin

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

f03gl

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 (oder neuer)-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 (oder neuer)-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

Japi

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

Download der Dateien "japi.f" und "libjapi.zip" von der japi-Homepage.
Entpacken der "libjapi.zip" (die Linux-Version enthält z.B. nur die "libjapi.a"-Bibliotheksdatei).
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

Pilib

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

Download des pilib-Softwarepakets von der im Abschnitt Weblinks angegebenen pilib-Internetadresse.
Entpacken (gunzip, tar).
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

Mathematik

BLAS und ATLAS

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

Basic Linear Algebra Subprograms

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:

blas.tgz downloaden
Dieses Paket in ein leeres Verzeichnis entpacken
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
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

FGSL

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

Gnu Scientific Library

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

LAPACK

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

LAPACK

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

Parallele Programmierung

OpenMP

Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:

OpenMP

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

Fortran und Tcl

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

Fortran und C

Interface

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)

Fortran 90/95

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:

Programmcode

int zahl(int a, int b)
{
  return (a+b);
}

Fortran 2003

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

Anmerkungen:

Fortran 2003-Code: bsp.f95

Fortran 2003 (oder neuer)-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
	c_long_double_complex	long double _Complex
logical	c_bool	_Bool
character	c_char	char
Quelle: J3/04-007 Fortran 2003 Working Draft

Das iso_c_binding-Modul stellt keine speziellen kind-Werte für unsigned-Integer-Datentypen zur Verfügung. Im Bedarfsfall sind die entsprechenden kind-Werte für die signed-Datentypen zu verwendet.

Nicht jeder Fortran-Compiler unterstützt alle genannten C-Datentypen und die unterstützten Datentypen können sich compilerspezifisch in der Byteanzahl unterscheiden. Die nächste Tabelle zeigt kurz auf, welche kind-Konstanten derzeit (1. Dez. 2007) von einigen Compilern definiert werden.

	c_int	c_short	c_long	c_long_long	c_signed_char	c_size_t	c_int8_t
g95	4	2	4	8	1	4	1
gfortran	4	2	4	8	1	4	1
ifort	4	2	4	8	1	4	1
f95	4	2	4	8	1	4
	c_int16_t	c_int32_t	c_int64_t	c_int_least8_t	c_int_least16_t	c_int_least32_t	c_int_least64_t
g95	2	4	8	1	2	4	8
gfortran	2	4	8	1	2	4	8
ifort	2	4	8	1	2	4	8
f95				1	2	4	8
	c_int_fast8_t	c_int_fast16_t	c_int_fast32_t	c_int_fast64_t	c_intmax_t	c_intptr_t	c_float
g95	1	4	4	8	4	4	4
gfortran	(1)	(1)	(1)	(1)	8	(1); 4 oder 8	4
ifort	1	4	4	8	8	4	4
f95	1	2	4	8	8		4
	c_double	c_long_double	c_float_complex	c_double_complex	c_long_double_complex	c_bool	c_char
g95	8	-1	4	8	-1	-1	1
gfortran	8	(1), oft 10	4	8	(1), oft 10	1	1
ifort	8	-1	4	8	-1	1	1
f95	8	-3	4	8	-3	1	1

(1) Der Wert ist systemabhängig

g95: g95 0.91! Nov 29 2007
gfortran: GNU Fortran (GCC) 4.3.0 20071201 (experimental)
ifort: Intel Fortran Compiler 10.1 20070913
f95: Sun Studio Express, June 2007

positive Zahl	Konstante ist bekannt, C-Datentyp wird unterstützt
negative Zahl	Konstante ist bekannt, C-Datentyp wird nicht unterstützt
	unbekannte Konstante

„call by value“ vs. „call by reference“

Im einführenden Beispiel wurden die Funktionsargumente „call by value“ übergeben. Das Variablenattribut value stellt dieses Verhalten sicher. Wird dieses Attribut nicht gesetzt, so gilt „call by reference“.

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

Anmerkungen:

Fortran-Code bsp.f95:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  implicit none
 
  interface
    subroutine zahl( a, b ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
      integer( kind=c_int ), value :: a
      integer( kind=c_int )        :: b
    end subroutine zahl
  end interface
 
  call zahl(5, 7)

! Ausgabe:  
!   Ergebnis = 35
end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

#include <stdio.h>
 
void zahl(int a, int *b)
{
  printf("%s%d\n", "Ergebnis = ", a * *b);
}

Globale C-Variablen

Muss in Fortran auf globale C-Variablen zugegriffen werden, so sind diese im Gültigkeitsbereich eines Fortran-Modul zu spezifizieren.

Felder

Interoperabilität zwischen Fortran und C ist nur mit Feldern definierter Größe gegeben. Allozierbare Felder oder Zeigerfelder sind nicht erlaubt.

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

Anmerkungen:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  implicit none 

  integer, dimension( 3 ) :: a = (/ 1, 2, 3 /)

  interface
    subroutine feld1( f ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
    
      integer( c_int ), dimension(*) :: f
    end subroutine feld1   
  end interface  

  write (*,*) "Feld a vorher: ", a
  call feld1( a )  
  write (*,*) "Feld a nachher: ", a  
  
! Ausgabe:
!   Feld a vorher:  1 2 3
!   Feld a nachher:  999 2 3 
end program bsp

Programmcode

void feld1(int f[])
{
   f[0] = 999;   
}

Übergabe von Zeichenketten

Beispiel:

Beispiel funktioniert mit Compiler

g95 (0.91!) May 10 2007: ja
gfortran 4.3.0 20070723 (experimental): nein
Intel Fortran Compiler 10.0: ja
Sun Studio Express - June 2007: ja

Anmerkungen:

gfortran lehnt dies ab, da dies ungültiger Fortran-Syntax ist: Fehler: Character argument 'str_in' at (1) must be length 1 because procedure 'string1' is BIND(C)

Fortran-Code bsp.f95:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  use, intrinsic :: iso_c_binding
  implicit none 

  interface
    subroutine string1( str_in ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
    
      character( kind=c_char, len=* ) :: str_in ! Ungültiges Fortran 2003 da nur len=1 erlaubt ist
    end subroutine string1   
  end interface  
  
  call string1( c_char_"Greetings from Fortran" // c_null_char )  
  
! Ausgabe:
!   "Greetings from Fortran" 
end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

#include <stdio.h>

void string1(char str_in[])
{
  printf("%s \n", str_in);
}

Für len=1 funktioniert das Beispiel mit allen angeführten Compilern. Das len-Attribut kann im Übrigen auch weggelassen werden; einige unterstützen als compilerspezifische Erweitungen auch andere Längen. Im Fortran 2003-Working-Draft wird in „Note 15.23“ eine andere Möglichkeit für die Übergabe von Zeichenketten angeführt. Diese folgt im wesentlichen der Annahme:

C-Zeichenketten sind char-Felder mit einem terminierenden \0-Zeichen und können deshalb in Fortran als Felder vom Datentyp character mit einem kind-Wert c_char angesprochen werden.

Daher wird im Interface der Dummy-Parameter in Form eines Feldes aus Zeichen des Typs c_char deklariert. Das entspräche auch genau der aufzurufenden C-Funktion. Allerdings ist solcherart verfasster Code dann nicht mit allen Compilern übersetzbar (Stand Juli 2007).

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: nein

Anmerkungen:

Sun Studio Express-Fehlermeldung:

... Zusicherung >>addr<< nicht erf?llt.

"bsp.f95", Line = 13, Column = 1: INTERNAL: Interrupt: Abgebrochen

Fortran-Code bsp.f95:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  use, intrinsic :: iso_c_binding
  implicit none 

  interface
    subroutine string1( str_in ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
    
      character( kind=c_char ), dimension(*) :: str_in
    end subroutine string1   
  end interface  
  
  call string1( c_char_"Greetings from Fortran" // c_null_char )  
  
! Ausgabe:
!   "Greetings from Fortran" 
end program bsp

Beispiel:

Damit das obige Beispiel auch mit dem "Sun Studio-Fortrancompiler" funktioniert, darf der String nicht direkt dem Unterprogramm übergeben werden, sondern muss zuvor in einer Variablen abgelegt werden.

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

Anmerkungen:

Fortran-Code bsp.f95:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  use, intrinsic :: iso_c_binding
  implicit none 
  
  character(len=35) :: str  

  interface
    subroutine string1( str_in ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
    
      character( kind=c_char ), dimension(*)  :: str_in
    end subroutine string1   
  end interface  
  
  str = "Greetings from Fortran" // c_null_char
  call string1( str )  
  
! Ausgabe:
!   "Greetings from Fortran" 
end program bsp

Benannte iso_c_binding-Konstanten für Zeichen mit spezieller Bedeutung in C:

Benannte Konstante	Wert
c_null_char	'\0'
c_alert	'\a'
c_backspace	'\b'
c_form_feed	'\f'
c_new_line	'\n'
c_carriage_return	'\r'
c_horizontal_tab	'\t'
c_vertical_tab	'\v'

Enumerationen

Mit Fortran 2003 sind auch in dieser Programmiersprache Enumerationen (Aufzählungstypen) möglich. Die Werte in einer solchen Enumeration besitzen einen integer-Datentyp. Der kind-Wert ist nicht festgelegt, wird jedoch so gewählt, dass im Rahmen der jeweiligen Möglichkeiten alle Enumeratoren erfasst sind.

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:

Beispiel funktioniert mit Compiler

g95 (0.91!) May 10 2007: ja
gfortran 4.3.0 20070723 (experimental): ja
Intel Fortran Compiler 10.0: nein
Sun Studio Express - June 2007: nein

Anmerkungen:

Sun-Fortran-Compiler und Intel-Fortran-Compiler unterstützen momentan noch keine Enumerationen.

Fortran-Code bsp.f95:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

program bsp
  implicit none 

  enum, bind(c) 
    enumerator :: MO=1, DI=2, MI=3, DO=4, FR=5, SA=6, SO=7
  end enum  
  
  interface
    subroutine tag( w ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding

      integer( c_int ), value :: w
    end subroutine tag
  end interface
      
  call tag(MI);    

! Ausgabe:
!   Mittwoch
end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

#include <stdio.h>

typedef enum {
  MO=1, DI=2, MI=3, DO=4, FR=5, SA=6, SO=7
} wochentag;


void tag(wochentag w)
{
  switch(w)
  {
    case MO:
      printf("Montag\n");
      break;
    case DI:
      printf("Dienstag\n");
      break;
    case MI:
      printf("Mittwoch\n");
      break;
    case DO:
      printf("Donnerstag\n");
      break;
    case FR:
      printf("Freitag\n");
      break;
    case SA:
      printf("Samstag\n");
      break;
    case SO:
      printf("Sonntag\n");
      break;
    default:
      printf("Kein Tag\n");      
  }
}

Zeiger

Für das C-Zeiger-Handling stellt Fortran 2003 im iso_c_binding-Modul den Datenverbund c_ptr und einige Unterprogramme bereit.

UP	Beschreibung
l = c_associated ( c_ptr1 [, c_ptr2] )	Prüft den Assoziationsstatus von c_ptr1. Diese Funktion ermittelt also, ob c_ptr1 überhaupt assoziert ist, oder ob c_ptr1 mit c_ptr2 assoziert ist.
c_ptr = c_loc ( x )	Gibt die Adresse von x zurück.
c_f_pointer ( c_ptr, fptr [, shape] )	Wandelt einen C-Zeiger `c_ptr` in einen Fortran-Zeiger `fptr` um. Die Vorgabe von `shape` ist nur dann erforderlich und möglich, wenn `fptr` ein Feld ist. `fptr` ist `intent( inout )`.

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

Anmerkungen:

Sun-Linker-Warnmeldung:

Warning: alignment 4 of symbol `ptr1', ... in bsp_c.o is smaller than 16 in bsp_f90.o

Intel-Linker-Warnmeldung:

Warning: alignment 4 of symbol `ptr1', ... in bsp_c.o is smaller than 8 in bsp_f90.o

Fortran-Code bsp.f95:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

module cglob
  use, intrinsic :: iso_c_binding

  type( c_ptr ), bind( c )                :: ptr1, ptr2, ptr3
  real( kind=c_float ), target, bind( c ) :: a, b
end module cglob

program bsp
  use cglob
  implicit none 
      
  real, pointer :: p => null()
      
! *** Zuordnungsstatus ***      
  write (*,*) "Ist ptr1 assoziert? ", c_associated( ptr1 )
  write (*,*) "Ist ptr2 assoziert? ", c_associated( ptr2 )
  write (*,*) "Ist ptr2 mit ptr3 assoziert? ", c_associated( ptr2, ptr3 )
  write (*,*) "Ist ptr2 mit &a assoziert? ", c_associated( ptr2, c_loc(a) )
  
! *** Wert von ptr2? ***
  call c_f_pointer( ptr2, p )
  write (*,*) "Wert von ptr2? ", p 

! *** ptr1 neu setzen ***
  ptr1 = c_loc( b )

! *** Wert von ptr1 ***
  call c_f_pointer( ptr1, p )
  write (*,*) "Wert von ptr1? ", p 
  
! Ausgabe:
!   Ist ptr1 assoziert?  F
!   Ist ptr2 assoziert?  T
!   Ist ptr2 mit ptr3 assoziert?  F
!   Ist ptr2 mit &a assoziert?  T
!   Wert von ptr2 (bzw. p)?  5555.66
!   Wert von ptr1 (bzw. p)?  -12.3   
end program bsp

C-Code bsp.c:

Programmcode

float a = 5555.66;
float b = -12.3;

float *ptr1 = 0;
float *ptr2 = &a;
float *ptr3 = &b;

Nun ist die Zeiger-Verwendung wie im obigen Beispiel skizziert, eher die Ausnahme als die Regel. Wesentlich häufiger trifft man Zeiger in C-Bibliotheken im Zusammenhang mit Funktionen an. Dort dienen sie aus Anwendersicht als return-Werte oder der Parameterübergabe „call-by-reference“. Oft sind dabei auch Zeiger auf Strukuren im Spiel. Näheres dazu folgt im nächsten Abschnitt.

Für C-Zeiger auf den Wert NULL bietet das ISO-C-Binding-Modul die Konstante C_NULL_PTR.

Datenverbund

Die einzelnen Datenelemente der Struktur / des Datenverbundes müssen in Fortran und C selbstverständlich äquivalenten Datentyp aufweisen. Die Bezeichnungen der jeweiligen Datenelemente müssen nicht beibehalten werden. Sehr wohl müssen aber die Positionen der Einzelelemente im Fortran-Datenverbund der nachzubildenden C-Struktur entsprechen.

Für die Gewährleistung der Interoperabilität darf ein an C gebundener Datenverbund in Fortran (struct) keine Zeiger mit dem pointer-Attribut oder allozierbaren Felder als Datenelemente enthalten. Sind in der C-Struktur Zeiger vorhanden, so sind diese im entsprechenden Fortran-Datenverbund mittels type( c_ptr ) zu beschreiben.

Für Bitfelder oder Unions gibt es in Fortran keine entsprechenden Gegenstücke.

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

Anmerkungen:

gfortran: Im Gegensatz zu den anderen Compilern müssen bei der Deklaration der Subroutine print_v im Interface die Klammern für die leere Parameterliste vor dem bind(C) zwingend angestschrieben werden, ansonsten Fehlermeldung beim Compilieren; diese Klammer ist im Fortran 2003 Standard vorgeschrieben.

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

module cglob
  use, intrinsic :: iso_c_binding

  type, bind( c ) :: verbund
    integer( kind=c_int ) :: a
    real( kind=c_float )  :: b
  end type verbund

  type(verbund), bind( c ) :: v  
end module cglob

program bsp
  use cglob
  implicit none 

  interface
    subroutine set_v( a_in, b_in) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
    
      integer( c_int ), value :: a_in
      real( c_float ), value :: b_in
    end subroutine set_v

    
    subroutine print_v() bind( c )
    end subroutine print_v
    
  end interface  

  call set_v( 5, -10.9)  
  call print_v()
  write (*,*) "Fortran-Ausgabe: ", v  
  v%a =  99
  call print_v()
  write (*,*) "Fortran-Ausgabe: ", v  

! Ausgabe:
!   C-Ausgabe: 5  -10.900000
!    Fortran-Ausgabe:  5 -10.9
!   C-Ausgabe: 99  -10.900000
!    Fortran-Ausgabe:  99 -10.9
end program bsp

Programmcode

#include <stdio.h>

typedef struct {
  int a;
  float b;
} verbund;

verbund v;

void set_v(int a_in, float b_in)
{
  v.a = a_in;
  v.b = b_in;  
}

void print_v()
{
  printf("C-Ausgabe: %i  %f\n", v.a, v.b);
}

Beispiel: Struktur als Rückgabewert und Argument einer Funktion - Teil 1

Bekannt seien zwei Funktionsprototypen in der Programmiersprache C:

Xyz *get_xyz();

und

void set_xyz(Xyz *x);

Xyz sei ein C-struct, dessen Inhalt hier nicht näher interessiert.

Die Schnittstelle, mit dem in Fortran die C-Anbindung der Funktionen realisiert wird, könnte so aussehen:

interface
  function get_xyz() bind( c )
    use, intrinsic :: iso_c_binding
    type( c_ptr )  :: get_xyz
  end function get_xyz

  subroutine set_xyz( x ) bind( c )
    use, intrinsic :: iso_c_binding
    type( c_ptr ), value  :: x
  end subroutine set_xyz
end interface

Und schon können diese Funktionen auch in Fortranroutinen direkt Anwendung finden, z.B:

type( c_ptr ) :: x56

x56 = get_xyz()
call set_xyz( x56 )

Wie man anhand dieses Beispiels erkennt, ist die interne Struktur von Xyz in diesem Fall vollkommen irrelevant. Es ist nicht nötig, in der API-Dokumentation oder in den C-Headerdateien nachzuforschen, wie der C-struct konkret aufgebaut ist. Für den Fortran-Programmierer ist dies immer ein type( c_ptr ) (natürlich nur, solange Zeiger auf Strukturen gefordert sind). Wird ein Zeiger des Typs c_ptr nur via Fortranprogramm zwischen verschiedenen C-Funktionen übergeben oder zurückgeliefert, so ist auch keine Umwandlung in einen Fortran-Zeiger erforderlich und wäre mangels genauer Kenntnis des Aufbaus von Xyz hier auch nicht möglich. Erst dann, wenn von Fortran aus auf einzelne Elemente eines C-struct zugegriffen werden soll oder mit Kopien der Struktur hantiert wird, muss diese Struktur in Fortran nachgebaut werden.

Beispiel: Struktur als Rückgabewert und Argument einer Funktion - Teil 2

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

Anmerkungen:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

module test
  use, intrinsic :: iso_c_binding
  implicit none
  
  
  type, bind( c ) :: A
  ! Das funktioniert nicht mit allen Kompilern; versuchen Sie ansonsten:
  !   type A
  !   sequence
    integer( c_int ) :: xc, yc
    type( c_ptr )    :: str
  end type

  interface
    function get_a() bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
      type( c_ptr ) :: get_a 
    end function get_a

    subroutine print_a( x ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
      type( c_ptr ), value :: x  
    end subroutine print_a
  end interface
end module test


program main
  use test
  implicit none

  type( c_ptr )               :: x
  type( A ), pointer          :: fptr
  character( len=9 ), pointer :: strptr

  x = get_a()
  
! C-Ausgabe
  call print_a( x )
!  Ausgabe:
!    x = 5
!    y = 997
!    str = Irgendwas

! Fortran-Ausgabe
  call c_f_pointer( x, fptr)
  call c_f_pointer( fptr%str, strptr )  ! <--- Fehlerquelle bei gfortran
  write(*,*) fptr%xc, fptr%yc, strptr
!  Ausgabe
!    5 997 Irgendwas
end program main

Programmcode

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>


typedef struct
{
  int x;
  int y;
  const char *str;
} A;


A *get_a()
{
  A *a = ( A * )malloc( sizeof( A ) ); 
  
  a->x = 5;
  a->y = 997;
  a->str = "Irgendwas";

  return a;
}


void print_a( A *v )
{
  printf("x = %d\n", v->x);
  printf("y = %d\n", v->y);
  printf("str = %s\n", v->str);
}

Bei der Umwandlung des C-String-Zeigers in einen Fortran-Zeiger ist die genaue Stringlänge erforderlich. Ist diese zu klein gewählt, so ist nur ein Teil des C-Strings über den Fortran-Zeiger sichtbar. Wird diese Stringlänge zu groß gewählt, dann wird diese Länge auch voll ausgenutzt und nach dem eigentlich gewünschten String folgen noch ein Menge x-beliebige Zeichen, da in Fortran der C-String-Begrenzer \0 nicht die Bedeutung wie in C besitzt.

Im obigen Beispiel wurde die Speicherplatzreservierung und Wertebelegung für eine Variable des Typs A in einer C-Funktion erledigt. Nun soll diese Aufgabe im Fortran-Programm wahrgenommen werden und dann diese in Fortran mit Werten belegte Variable an die print_a-Funktion übergeben werden. Kein Problem, möchte man im ersten Augenblick meinen. Doch der c_ptr-Typ im Datenverbund für den Zeiger auf eine Zeichenkette macht Probleme. Der g95-Compiler duldet bspw. in der c_loc-Funktion keine Zeichenketten mit einer Länge größer als 1. Der Compiler "castet" auch nicht von selbst im Datenverbundkonstruktor eine Zeichenkette in den Typ c_ptr. Eine Möglichkeit, diese Probleme zu umgehen, besteht darin, einfach einer C-Funktion einen String zu übergeben und die Adresse dieses Strings zurückgeben zu lassen. Diese Variante wird auch im folgenden Beispiel verwendet.

Beispiel: Struktur als Rückgabewert und Argument einer Funktion - Teil 3

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

Anmerkungen:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

module test
  use, intrinsic :: iso_c_binding
  implicit none
  
  type, bind( C ) :: A
    integer( c_int ) :: xc, yc
    type( c_ptr )    :: str
  end type

  type( A ), target  :: a1          ! bei Verwendung des g95 könnte diese Var.deklaration
                                    ! auch im Hauptprogramm als lokale Variable 
				    ! vorgenommen werden. Der Sun-Compiler erlaubt
				    ! kein gleichzeitiges C-Binding mit einer lokalen Var.    

  interface
    subroutine print_a( x ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
      type( c_ptr ), value :: x
    end subroutine print_a
    
    function c_string_addr( s ) bind( c )
      use, intrinsic :: iso_c_binding
      character( c_char ) :: s
      type( c_ptr )       :: c_string_addr
    end function c_string_addr    
  end interface
end module test


program main
  use test
  implicit none

  character( len = 30 ) :: str
  
  str =  "Das ist ein Beispiel" // C_NULL_CHAR 

  a1 = A( 14, 56, c_string_addr( str ) )
  
  call print_a( c_loc( a1 ) )
!  Ausgabe:
!    x = 14
!    y = 56
!    str = Das ist ein Beispiel
end program main

Programmcode

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>


typedef struct
{
  int x;
  int y;
  const char *str;
} A;


void print_a( A *v )
{
  printf("x = %d\n", v->x);
  printf("y = %d\n", v->y);
  printf("str = %s\n", v->str);
}

char *c_string_addr( char *str )
{
  return str;
}

Problematische Kamelhöckerschreibweise?

C ist case-sensitive, Fortran nicht. Oft sind Funktionen in C-Bibliotheken in der Kamelhöckerschreibweise vorzufinden, z.B.

void writeHallo();

Die Einbindung dieser C-Funktion in ein Fortran-Programm mit

 interface
   subroutine writeHallo() bind(c)
   end subroutine writeHallo
 end interface

könnte beim Linken eine Fehlermeldung der Art

undefined reference to `writehallo'

liefern.

Was ist passiert? Wie schon angedeutet, ist Fortran case-insensitive. Für einen Fortran-Compiler ist writeHallo gleich writehallo oder WRITEHaLLO. Für einen C-Compiler wären das alles unterschiedliche Funktionsbezeichner. Also wandelt der Fortran-Compiler die "unnütze" Groß-/Kleinschreibung in eine einheitliche Schreibweise um und der C-Compiler nicht. Dementsprechend findet der Linker auch keine Funktion writehallo. Es gibt eben nur die nicht-idente C-Funktion writeHallo.

Aber auch für dieses Problem gibt es in Fortran eine Lösung. Mit dem bind-Attribut können zusätzlich auch noch Labels (Benennungen) vergeben werden, z.B.:

bind( c, name="xyz" )

Solche Labels in Stringform sind nicht von der "Kopf ab"-Strategie des Fortran-Compilers betroffen. Das ist keine C-Binding-Spezialität, sondern trifft generell für alle Zeichenketten zu. Ein

 interface
   subroutine writeHallo() bind(c, name="writeHallo")
   end subroutine writeHallo
 end interface

sollte das beschriebene Link-Problem lösen.

Sonstiges

Auch C-Funktionszeiger kennt das iso_c_binding-Modul. Zu diesem Zwecke gibt es den Datenverbund c_funptr, einige Umwandlungsfunktionen ähnlich jenen im Abschnitt Zeiger behandelten und die Konstante C_NULL_FUNPTR.

Fortran und Python

F2PY

F2py (Fortran to Python interface generator) ist ein Wrapper, der Fortran-Module, -Subroutinen oder -Funktionen in sogenannte SharedObject-Dateien kompiliert, die dann in Python als normales Modul importiert werden können. Einsatzgebiete sind vor allem numerische Berechnungen, in denen sowohl die Geschwindigkeit der Fortranroutinen, aber auch die Flexibilität von Pythonscripten genutzt werden soll.

Voraussetzungen

Erforderlich für die Installation von f2py sind einerseits eine Python-Version ab 2.0 zusammen mit den Erweiterungsmodulen NumPy und SciPy und außerdem einen Fortran-Compiler. Genaue Informationen finden Sie auf der Homepage des f2py-Projekts, die unten angegeben ist. Es ist sehr wichtig, dass Sie zunächst alle Komponenten installiert haben, bevor Sie fortfahren. Die Erfahrung hat gezeigt, dass dies manchmal gar nicht so einfach ist. Um zu überprüfen, ob Ihr f2py funktionsfähig ist, tippen Sie einfach f2py in die Konsole ein. Wünschenswerterweise sollte dies einige Informationen über das Programm auf Ihrem Bildschirm anzeigen.

Beispiel

Als Testbeispiel wählen wir ein kleines Programm namens punktrechnung.f90. Es enthält ein Modul und eine Subroutine zur Berechnung von Division und Multiplikation. Wir wollen diese Routinen später von Python aus aufrufen können und die Funktionalitäten nutzen.

Fortran Code

Fortran 90/95-Code (free source form)

!File: punktrechnung.f90
	module punktrechnung
  	real,parameter::pi=3.14
	
	contains
	
	subroutine division(x,y)
		integer::x,y
		print*, "x/y = ",x/y
	end subroutine division
	
	end module punktrechnung
	

	subroutine multi(x,y)
		integer::x,y
		print*, "x*y= ",x*y
	end subroutine multi

Wrappen

Mit dem Befehl f2py -c -m meinmodul punktrechnung.f90 erstellen wir eine Objekt-Datei mit der Endung .so, die von Python als Modul importiert werden kann. Das Modul trägt den Namen "meinmodul" und es beinhaltet alle Funktionalitäten der Datei punktrechnung.f90.

Zugriff

Im interaktiven Modus von Python können wir dieses Modul nun importieren und die Funktionen nutzen:

>>> import meinmodul
>>> meinmodul.multi(5,4)
 x*y=           20
>>> meinmodul.punktrechnung.division(36,6)
 x/y =            6

Weblinks

F

Was ist F?

F ist ein Fortran 90/95-Subset. Das bedeutet auch, dass sich F-Programmcode immer mit Fortran 90/95-Compilern übersetzen lassen sollte. Umgekehrt ist das natürlich oft nicht möglich. Grob gesagt, wurde bei F auf die bedingungslose Kompatibilität mit FORTRAN 77-Code gepfiffen und nur die moderneren Fortran 90/95-Sprachmittel erlaubt. Die überbordenden Möglichkeiten und Schreibweisen zur Erreichung ein und desselben Ziels wurden also deutlich eingebremst. F ist somit ein bisschen leichter erlernbar als Fortran 90/95 in seiner Gesamtheit und führt durch restriktivere Regeln automatisch zu einem etwas stringenteren Programmierstil. Und das war bei der Einführung von F auch das Ziel: Einsatz von F in der Ausbildung und Lehre, wenngleich natürlich von den F-Schöpfern der Einsatz in praktischen Projekten auch gerne gesehen worden wäre.

Ein expliziter F-Compiler ist auf ftp.swcp.com/pub/walt/F unter FortranTools für die Betriebssysteme MS Windows und Linux zu finden. In diesen Softwarepaketen sind unter anderem das F-Manual und etliche Beispiele in der F-Programmiersprache enthalten.

Einige Unterschiede zu Fortran 90/95

Im Nachfolgenden werden Fortran 90/95- und F-Beispiele gegenüber gestellt. Das soll aber nicht bedeuten, dass die Fortran 90/95-Beispiele zwingend so formuliert werden müssen oder optimaler Fortran 90/95-Code sind. Es soll nur gezeigt werden, welche Freiheiten Fortran 90/95 im Gegensatz zu F erlaubt. F ist ein Subset von Fortran 90/95 und die als F-Code deklarierten Beispiele enthalten somit auch immer gültigen Fortran 90/95-Code.

Diverses

Strengere Regeln bei end-Statements für Hauptprogramm, Unterprogramme und Module:

Fortran 90/95	F
program bsp ! ... end	program bsp ! ... end program bsp

Datentypen

In F gibt es den Datentyp double precision nicht. Er kann aber problemlos wie in Fortran 90 /95 mittels real und kind-Attribut ersetzt werden.

Die alte (FORTRAN 77)-Form ohne Doppel-Doppelpunkt zwecks Variablendeklaration ist in F nicht erlaubt:

Fortran 90/95	F
program bsp real r r = 12.5 ! ... end program bsp	program bsp real :: r r = 12.5 ! ... end program bsp

In F gibt es keine impliziten Datentypvereinbarungen. Der Datentyp muss immer explizit festgelegt werden:

Fortran 90/95	F
program bsp i = 12 ! ... end program bsp	program bsp integer :: i = 12 ! ... end program bsp

Ein- / Ausgabe

Die vereinfachte Schreibweise write( *, * ) und read( *, * ) funktioniert bei F nicht. F akzeptiert Apostrophe nicht als Zeichenkettenbegrenzer:

Fortran 90/95

F

program bsp
  write( *, * ) 'Hallo Welt!'
! Alternativ auch: print *, 'Hallo Welt!'
end program bsp

program bsp
  write( unit = *, fmt = * ) "Hallo Welt!"
! Alternativ auch: print *, "Hallo Welt!"
end program bsp

Kein format, keine Marken:

Fortran 90/95	F
program bsp real :: a = 30.0 write( *, fmt = 999 ) a 999 format( F10.3 ) end program bsp	program bsp real :: a = 30.0 write( unit = *, fmt = "(F10.3)" ) a end program bsp

Schleifen

F kennt keine do-while-Schleife.

Funktionen und Subroutinen

Egal, ob die Parameterliste leer ist oder nicht, in F müssen immer die Klammern im Anschluss an den Unterprogrammnamen geschrieben werden
Externe Unterprogramme sind nicht erlaubt.

Fortran 90/95

F

program bsp
  call schreibe
end program bsp

subroutine schreibe
  write( *, * ) "Hallo"
end subroutine schreibe

program bsp
  call schreibe()

  contains
    subroutine schreibe()
      write( unit = *, fmt = * ) "Hallo"  
    end subroutine schreibe
end program bsp

Module

F ist restriktiver bei der Verwendung von Modulen als Fortran 90/95. Für Modulvariablen und -unterprogramme muss immer ein Zugriffspezifizierer public oder private vorgegeben werden.

Fortran 90/95

F

module modu
  real :: pi = 3.1416

  contains
    subroutine schreibe()
      write( *, * ) "Hallo"
    end subroutine schreibe
end module modu


program bsp
  use modu
  write( *, * ) pi
  call schreibe()
end program bsp

module modu
  private
  
  real, public :: pi = 3.1416
  public :: schreibe

  contains
    subroutine schreibe()
      write( unit = *, fmt = * ) "Hallo"
    end subroutine schreibe
end module modu


program bsp
  use modu
  write( unit = *, fmt = * ) pi
  call schreibe()
end program bsp

Weitere Unterschiede sind mittels angegebener Weblinks auffindbar bzw. dem F-Manual zu entnehmen.

Weblinks

Ratfor

Allgemeines

Ratfor (Rational Fortran) ist zum Großteil eine Mischung aus C und Fortran. Es entstand aus der Begeisterung Brian W. Kernighans^[1] für die Programmiersprache C. In einer Zeit, als C seinen Siegeszug antrat und Programmierer mit den zum Teil noch archaischen Sprachmerkmalen von FORTRAN 66 und 77 konfrontiert waren, hatte er die fixe Idee, dass auch Fortran-Programmierer mit der Syntax von C beglückt werden müssen. Ratfor-Code wurde dann per Präprozessor in Fortran-Code umgewandelt, um danach den Gang alles Fortran-irdischen zu gehen und per schnödem Fortran-Compiler in Maschinencode übersetzt zu werden. Ratfor dürfte sich einer gewissen Popularität erfreut haben. Darauf deutet auch hin, dass sogar für Fortran 90 ein entsprechender Ratfor-Präprozessor in Form eines Perl-Skripts geschaffen wurde. Gerüchten zufolge wurde in den '80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts als möglicher Nachfolger von Ratfor ein Ratfiv ^[2] realisiert.

Hier nun einige der wesentlichen Ratfor-Sprachmerkmale:

Die fixe Zeilenform aus FORTRAN 77 entfällt
Anweisungen werden mit Strichpunkt abgeschlossen
Blöcke werden in geschweifte Klammern eingefasst
for-Schleifen, if-Verzweigungen, etc. nach Art der Programmiersprache C
switch-Verzweigung (nur Ratfor 77, ohne break)
Kommentare werden mit # eingeleitet
<, <=, ..., != anstelle von .LT., .LE., ..., .NE.
etc.

Nachfolgend je ein kleineres Beispiel, um einen kurzen Einblick in Ratfor 77 und Ratfor 90 und die aus diesen Ratfor-Codes per Präprozessor generierten Fortran-Codes zu geben.

Ratfor 77

Ratfor

FORTRAN 77

program bsp 
  i = 2 

  switch(i){
    case 1:
      write(*, *) "Fall 1";
    case 2:
      write(*, *) "Fall 2"
    default:
      write(*, *) "Default"    
  }
end

C Output from Public domain Ratfor, version 1.0
      program bsp
      i = 2
      I23000=(i)
      goto 23000
23002 continue
      write(*, *) "Fall 1"
      goto 23001
23003 continue
      write(*, *) "Fall 2"
      goto 23001
23004 continue
      write(*, *) "Default"
      goto 23001
23000 continue
      if (I23000.eq.1)goto 23002
      if (I23000.eq.2)goto 23003
      goto 23004
23001 continue
      end

Ratfor 90

Ratfor

Fortran 90

# Ratfor 90 - Beispiel

program bsp
  integer :: i
  real    :: x = 10.5
 
  if( x != 10.0 )
  {
    for( i = 0; i < 3; i = i + 1 )
    {
      write(*,*) 'IF Hallo ', i; 
    }
  }
  else
  {
    write(*,*) 'ELSE Hallo';
  }
end program bsp

! Ratfor 90 - Beispiel
program bsp
implicit none
integer :: i
real    :: x = 10.5
if ( x .ne. 10.0 ) then
i=0
do
  if(.not. (i<3)) then
    exit
  end if
    write(*,*) 'IF Hallo ', i
    i=i+1
  end do
else
  write(*,*) 'ELSE Hallo'
end if
end program bsp

Weblinks

Brian W. Kernighan: RATFOR -- A Preprocessor for a Rational Fortran

Cray Pointer

Einleitung

Cray Pointer (auch Integer Pointer genannt) waren und sind teilweise heute noch in Fortran ein Ersatz für die aus der Programmiersprache C bekannten Zeiger. Sie sind nicht Teil der Fortran-Standards, werden jedoch von einigen Compilerherstellern als Erweiterung des Fortran-Sprachumfangs angeboten. Cray Pointer haben nicht viel mit den unter Fortran 90/95 neu eingeführten Zeigern gemeinsam und können Portabilitätsprobleme bereiten. Die Bezeichnung Cray Pointer deutet auf den "Erfinder" dieser Erweiterung hin - Cray Research^[1] (firmiert aktuell als Cray Inc.).

Grundlagen

Pärchenbildung: Speicheradresse ↔ Objekt

pointer( pointeradr, pointee ) [, ...]

pointeradr ... integer-Skalar (Speicheradresse)
pointee ... Skalar oder Vektor

Der Datentyp für pointeradr muss groß genug gewählt werden, damit die Speicheradresse auch aufgenommen werden kann. Dies stellt schon das erste Problem dar, da diese "Zeigergröße" systemabhängig ist. In weitere Folge muss dieser Speicherplatzbedarf je Zeiger auch bei der Verwendung von "zeigerarithmetischen Kunststücken" beachtet werden. Um portabel zu bleiben darf pointeradr gar nicht deklariert werden. Das Codeschnipsel

 ! ...
 integer :: ptradr     
 pointer( ptradr, var )
 ! ...

würde von gfortran und ifort auf 32bit-Systemen akzeptieren werden. Der Sun-Compiler weist diesen Code jedoch in jedem Fall mit einer eindeutigen Fehlermeldung ab.

Speicheradresse ermitteln

i = loc( var )

Diese Funktion gibt die Speicheradresse von var zurück.

Speicherplatz anfordern

ptradr = malloc( bytes )

Fordert bytes Speicherplatz an und gibt die erste dazugehörende Speicheradresse zurück.

Speicherplatz freigeben

free( ptradr )

Sonstiges

Cray Pointer können auch auf Unterprogramme zeigen.

Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

program bsp
  implicit none
  
  real, dimension(4) :: arr = (/ 12.5, -3.3, -55.0, -144.9 /)
  real               :: pointee

  
! ***** Pärchenbildung und loc() *****
  ! iptradr wird nicht explizit deklariert, der Compiler ermittelt automatisch 
  ! den erforderlichen Datentyp (kind-Wert) -> 4 Byte-Integer bei 
  ! 32bit-Systemen, 8 Byte-Integer bei 64bit-Systemen, ...
  pointer( iptradr, pointee(2, 2) )
  
  iptradr = loc( arr(1) )

  write( *,* ) pointee
! Ausgabe:
!    12.5      -3.3      -55.0     -144.9

  write( *,* ) pointee(:, 2)
! Ausgabe:
!    -55.0      -144.9

  iptradr = loc ( arr(2) )

  write( *,* ) pointee
! Ausgabe:
!    -3.3      -55.0      -144.9      1.4012985E-45 


! ***** Zeigerarithmetik, Ergebnis systemabhängig *****
  iptradr = iptradr + 4      ! + 4 Bytes
  write( *,* ) pointee(1, 1)
! Ausgabe:
!    -55.0 
  

! ***** malloc() und free() *****
  iptradr = malloc( 16 )
  pointee( 1, 1 ) = 99.9
  pointee( 2, 1 ) = 999.9 
  
  write( *,* ) pointee
! Ausgabe:
!    99.9      999.9      0.0E+0      0.0E+0 

  call free( iptradr )
end program bsp

Kompilieren, Linken:

gfortran: gfortran -fcray-pointer bsp.f90
Sun: f95 bsp.f90
Intel: ifort bsp.f90

Weblinks

gfortran - Cray Pointers

↑ w:Cray

Eine Gegenüberstellung von grundlegenden Fortran- und C-Sprachelementen

Nachfolgend werden einige grundlegende Sprachelemente von Fortran95 und C tabellarisch gegenübergestellt. Die Gegenüberstellung erfolgt nur schematisch, da hier nur ein Überblick über die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Programmiersprachen aufgezeigt werden soll.

Tabellenlegende:

----- : nicht vorhanden
... : nicht näher bestimmt, aber irgendwas Sinnvolles und Zulässiges
kursiv Geschriebenes steht für beliebige (aber natürlich nur sinnvolle und zulässige) Variablennamen, Zahlen, etc.

Programmgrundstruktur

Groß-, Kleinschreibung

Fortran95	C
Fortran ist case-insensitiv	C ist case-sensitiv

Kommentare

Fortran95	C
! xyz	/* xyz */

Das Ende einer Anweisung

Fortran95	C
Jede Anweisung steht grundsätzlich in einer eigenen Zeile. Die Zeilenlänge ist begrenzt. Mehrere Anweisungen dürfen auch in einer Zeile stehen, wenn sie durch Semikolon ; voreinander getrennt sind. Eine Zeilenfortsetzung muss durch ein Kaufmanns-Und & am Ende der fortzusetzenden Zeile angezeigt werden. Die Anzahl der erlaubten Fortsetzungzeilen ist begrenzt.	Einzelne Anweisungungen sind immer durch Semikolon ; zu trennen. Eine Anweisung kann sich über mehrere Zeilen erstrecken.

Hauptprogramm

Fortran95	C
program bsp ... end program bsp	int main(int argc, char **argv) { ... }

Unterprogramme

Fortran95

C

call sub1(...)

...

subroutine sub1(...)
  ...
end subroutine sub1

void sub1(...);

...

sub1(...);

...  

void sub1(...) {
  ...
}

var = fun1(...)

...

function fun1(...)
  datentyp :: fun1
  ...
  fun1 = ...
end function fun1

datentyp fun1(...);

...

var = fun1(...);

...
 
datentyp fun1(...) {
  ...
  return ...;
}

Prinzipiell werden Parameter per "call by reference" übergeben.
Die Datenübertragungsrichtung lässt sich mittels intent-Angabe steuern.

Prinzipiell werden Parameter per "call by value" übergeben.
"call by reference" wird mittels Übergabe von Zeigern realisiert.

Einfache Datentypen

Fortran95	C	Bytes
-----	unsigned-Datentypen	...
integer	int	4
integer(kind=1)	signed char	1
integer(kind=2)	short int	2
integer(kind=4)	int	4
integer(kind=8)	long int	8
real	float	4
double precision	double	8
real(kind=4)	float	4
real(kind=8)	double	8
complex	----- (ab ISO C99 -> complex.h-Bibliothek)	8
logical	----- (-> int-Zahlen, ab ISO C99 -> stdbool.h-Bibliothek)	4
character	unsigned char	1
character(len=...)	unsigned char[...]	...

(Zu beachten ist, dass die Byteanzahl der Datentypen teilweise maschinenabhängig ist. Die kind-Angaben sind zudem auch compilerabhängig.)

Variablendeklaration

Fortran95	C
datentyp :: var1, var2, ...	datentyp var1, var2, ...

Konstanten

Fortran95	C
'Hallo' oder "Hallo"	"Hallo"
'A', "A"	Character: 'A', Zeichenkette: "A"
Arithmetische Konstanten höherer Genauigkeit sind zwingend mit einer speziellen Datentypendung zu versehen	-----

Benannte Konstanten

Fortran95	C
datentyp, parameter :: konstante = wert	const datentyp konstante = wert oder #define konstante wert

Operatoren

Arithmetische Operatoren

Fortran95	C
+	+
-	-
*	*
/	/
**	----- (-> Bibliotheksfunktion)
---- (-> intrinsic functions)	% (Modulo)

Vergleichsoperatoren

Fortran95	C
==	==
<	<
<=	<=
>	>
>=	>=
/=	!=

Logische Operatoren

Fortran95	C
.AND.	&&
.OR.	\|\|
.NOT.	!
.EQV.	-----
.NEQV.	-----

Stringverknüpfung

Fortran95	C
//	----- (-> Bibliotheksfunktion)

Bitoperatoren

Fortran95	C
----- (-> intrinsic functions)	<<, >>, &, \|, ^, ~

Weitere Operatoren

Fortran95	C
-----	++, --, +=, -=, etc.

Zusammengesetzte Datentypen

Fortran95	C
type :: name sequence integer :: a ... end type name ... type(name) :: var var%a = wert	struct name { int a; ... }; ... struct name var; var.a = wert;

Felder

Fortran95	C
datentyp, dimension(zahl) :: var	datentyp var[zahl]
datentyp, dimension(zahl1, zahl2, ...) :: var;	datentyp var[zahl1][zahl2]...;
Ein Feldindex startet standardmäßig bei 1. Dieser Indexstartwert kann aber vom Programmierer verschoben werden. Ein mehrdimensionales Feld wird spaltenweise gespeichert. Fortran95 kennt standardmäßig viele Möglichkeiten mit Feldern (Vektoren und Matrizen) zu hantieren (z.B. Feldkonstruktor, reshape, where, Zugriff auf eine Teilmenge eines Feldes, etc.).	Ein Feldindex startet immer bei 0. Ein mehrdimensionales Feld wird zeilenweise gespeichert.
var(zahl) = wert	var[zahl] = wert;
var(zahl1, zahl2) = wert	var[zahl1][zahl2] = wert;
var = wert	----- (-> mittels Schleifendurchlauf über das ganze Feld)
var(zahl1:zahl2) = wert	----- (-> mittels Schleifendurchlauf über die Feldteilmenge)

Zeichenketten

Fortran95	C
character(len=zahl) :: var	char var[zahl]
-----	Zeichenketten werden (intern) mit einem \0-Zeichen terminiert. Dies muss bei der Variablendeklaration hinsichtlich der Feldlänge berücksichtigt werden.

Blöcke, Verzweigungen, Schleifen

Block

Fortran95	C
...	{ ... }

Verzweigungen

Fortran95	C
if (bedingung) anweisung	if (bedingung) anweisung;
if (bedingung) then ... end if	if (bedingung) { ... }
if (bedingung) then ... else ... end if	if (bedingung) { ... } else { ... }
-----	... ? ... : ...
select case (...) case (...) ... case (...) ... ... case default ... end select	switch (...) { case ...: ... break; case ...: ... break; ... default: ... }

Schleifen

Fortran95

C

do schleifenvar = anfangswert, endwert, schrittweite
  ...
end do

for (anfangsbedingung; endbedingung; durchgangsanweisung)
{
  ...
}

do while (...)
  ...
end do

while (...)
{
  ...
}

do
  ... 
if (...) exit
end do

do {
  ...
} while (...);

Sonstiges

Fortran95

C

stop

#include <stdlib.h>
exit(status);

oder im Hauptprogramm

return;

exit

break;

cycle

continue;

Ein-, Ausgabe

Fortran95	C
write(, format*) ...	#include <stdio.h> printf(...);
read(, format*) ...	#include <stdio.h> scanf(...);

Dateien

Fortran95	C
open (unit=nr, ...) write (nr, format) ... read (nr, format) ... ... close(unit=nr)	#include <stdio.h> ... FILE *f = fopen(...); fprintf (f, ...); fscanf(f, ...); ... fclose(f);

Zeiger

Fortran95

C

datentyp, pointer :: var

datentyp *var;

...
datentyp, pointer :: var1 => null();
datentyp, target :: var2 = wert;
...
var1 => var2
write(*,*) var1

...
datentyp *var1 = 0;
datentyp var2 = wert;
...
var1 = &var2;
printf("%d", *var1);

Anwendungsbeispiele

Dreiecksberechnung

Aufgabe

Es sollen einige charakteristische Dreieckswerte berechnet werden. Der Programmanwender gibt die Koordinatenwerte (x, y) für die Dreieckseckpunkte P₁, P₂ und P₃ vor.

Das Programm berechnet u.a. folgende Werte und übermittelt diese an die Standardausgabe:

Längen der Dreiecksschenkel und Dreiecksumfang
Innenwinkel
Fläche
Umkreis (Mittelpunkt und Radius)
Inkreis (Mittelpunkt und Radius)
Schwerpunkt

Grundlagen

Die Dreiecksberechnung erfolgt in diesem Anwendungsbeispiel hauptsächlich mittels Vektorrechnung.

Näheres zu Dreiecken und zur Vektorrechnung ist folgenden Enzyklopädieartikeln und Büchern zu entnehmen:

Koordinatenwerte ---> Richtungsvektoren

$\mathbf {a} =\mathbf {p} _{3}-\mathbf {p} _{1}$
$\mathbf {b} =\mathbf {p} _{2}-\mathbf {p} _{1}$
$\mathbf {c} =\mathbf {b} -\mathbf {a}$

Seitenlängen und Umfang

$a_{norm}=|\mathbf {a} |$
$b_{norm}=|\mathbf {b} |$
$c_{norm}=|\mathbf {c} |$
$U\ =\ a_{norm}+b_{norm}+c_{norm}$

Bedingung: $a_{norm}\neq 0$ , $b_{norm}\neq 0$ , $c_{norm}\neq 0$

Winkel

$\angle ab=\arccos {\frac {\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} }{a_{norm}b_{norm}}}$
$\angle bc=\arccos {\frac {\mathbf {b} \cdot \mathbf {c} }{b_{norm}c_{norm}}}$
$\angle ac=\pi -\angle ab-\angle bc$

Bedingung: $\angle ab\neq 0$ , $\angle ac\neq 0$ , $\angle bc\neq 0$

Fläche

Es gilt

$A_{Parallelogramm}=|\mathbf {a} \times \mathbf {b} |=a_{norm}b_{norm}\sin \angle ab$

und somit

$A={\frac {A_{parallelogramm}}{2}}={\frac {a_{norm}b_{norm}\sin \angle ab}{2}}$

Umkreis

Normalen:

$\mathbf {a} \cdot \mathbf {n} =0$
$\mathbf {b} \cdot \mathbf {m} =0$
$|\mathbf {n} |=1$
$|\mathbf {m} |=1$

$\Rightarrow$

$n_{1}=-a_{2}{\sqrt {\frac {1}{a_{1}^{2}+a_{2}^{2}}}}$
$n_{2}=a_{1}{\sqrt {\frac {1}{a_{1}^{2}+a_{2}^{2}}}}$
$m_{1}=-b_{2}{\sqrt {\frac {1}{b_{1}^{2}+b_{2}^{2}}}}$
$m_{2}=b_{1}{\sqrt {\frac {1}{b_{1}^{2}+b_{2}^{2}}}}$

Geradenschnittpunkt:

$g1:\ \mathbf {x} _{1}={\frac {\mathbf {a} }{2}}+t_{1}\mathbf {n}$
$g2:\ \mathbf {x} _{2}={\frac {\mathbf {b} }{2}}+t_{2}\mathbf {m}$
Der Umkreismittelpunkt ergibt sich als Schnittpunkt dieser beiden Geraden: $\mathbf {x} =\mathbf {x} _{1}=\mathbf {x} _{2}$

$\Rightarrow$

$t_{2}={\frac {n_{1}\left(a_{2}-b_{2}\right)+n_{2}\left(b_{1}-a_{1}\right)}{2\left(m_{2}n_{1}-m_{1}n_{2}\right)}}$

Bedingung: $m_{2}n_{1}-m_{1}n_{2}\neq 0$

Umkreismittelpunkt und -radius:

$\mathbf {x} _{o}=\mathbf {p} _{1}+{\frac {\mathbf {b} }{2}}+t_{2}\mathbf {m}$

$r_{o}=\left|{\frac {\mathbf {b} }{2}}+t_{2}\mathbf {m} \right|$

Inkreis

$\mathbf {v} ={\frac {1}{2}}\left({\frac {\mathbf {a} }{a_{norm}}}+{\frac {\mathbf {b} }{b_{norm}}}\right)$

$\mathbf {w} ={\frac {1}{2}}\left({\frac {\mathbf {b} }{b_{norm}}}+{\frac {\mathbf {c} }{c_{norm}}}\right)$

$g1:\ \mathbf {x} _{1}=t_{1}\mathbf {v}$

$g2:\ \mathbf {x} _{2}=\mathbf {b} +t_{2}\mathbf {v}$

Der Inkreismittelpunkt ergibt sich als Schnittpunkt dieser beiden Geraden: $\mathbf {x} =\mathbf {x} _{1}=\mathbf {x} _{2}$

$\Rightarrow$

$t_{2}={\frac {b_{1}v_{2}-b_{2}v_{1}}{w_{2}v_{1}-w_{1}v_{2}}}$

Bedingung: $w_{2}v_{1}-w_{1}v_{2}\neq 0$

Inkreismittelpunkt:

$\mathbf {x} _{i}=\mathbf {p} _{2}+t_{2}\mathbf {w}$

Inkreisradius:

$r_{i}={\frac {2A}{a_{norm}+b_{norm}+c_{norm}}}$

Schwerpunkt

$\mathbf {v} =\mathbf {a} +{\frac {\mathbf {c} }{2}}$
$\mathbf {w} ={\frac {\mathbf {b} }{2}}-\mathbf {a}$

$g1:\ \mathbf {x} _{1}=t_{1}\mathbf {v}$
$g2:\ \mathbf {x} _{2}=\mathbf {a} +t_{2}\mathbf {w}$

Der Dreiecksschwerpunkt ergibt sich als Schnittpunkt dieser beiden Geraden: $\mathbf {x} =\mathbf {x} _{1}=\mathbf {x} _{2}$

$t_{2}={\frac {a_{1}v_{2}-a_{2}v_{1}}{w_{2}v_{1}-w_{1}v_{2}}}$

Bedingung: $w_{2}v_{1}-w_{1}v_{2}\neq 0$

$\Rightarrow$

$\mathbf {x} =\mathbf {a} +t_{2}\mathbf {w}$

$\mathbf {x} _{cog}=\mathbf {p} _{1}+\mathbf {x}$

Code

Screenshots

Kettenlinie

Aufgabe

Der Programmbenutzer gibt die Kettenlänge L, die Abstände der beiden Abhängepunkte in x- und y-Richtung (b und h), sowie das spezifische Kettengewicht q vor. Aus diesen Angaben werden diverse Daten (Seilparameter, Kräfte, Durchhang, ...) für die Kette berechnet. Zusätzlich wird die aus den Angaben resultierende Kettenlinie grafisch am Bildschirm ausgegeben. Diese grafische Ausgabe erfolgt mit Hilfe der DISLIN-Grafikbibliothek.

Grundlagen

Code

Makefile
catenary.f90
catmod1.f90
catdisl.f90
dislin.f90 (diese Datei ist Bestandteil der DISLIN-Bibliothek)

Screenshots

Inverse Matrix

Aufgabe

Der Programmbenutzer gibt eine reelle nxn-Matrix vor. Das Programm berechnet dazu die inverse Matrix.

Grundlagen

Mit Hilfe der LAPACK-Bibliothek ist die Berechnung einer inversen Matrix sehr einfach durchzuführen. Aus diesem Grund soll bei diesem Beispiel das Hauptaugenmerk auf das Einbinden einer C-Bibliothek in ein Fortran-Programm gelegt werden. Für diesen Zweck bietet sich hier die ncurses-Bibliothek an. Ncurses ist eine Bibliothek zur Erstellung von TUIs (Text User Interfaces). In diesem Beispiel soll die Datenein- und -ausgabe mit Hilfe der ncurses-Bibliothek über einfache Formulare menügeführt erfolgen.

Berechnung der inversen Matrix:
Gestaltung der Benutzerschnittstelle: Ncurses

Code

Screenshots

Debugger

Werden Programme länger und komplexer, so kann der Einsatz eines Debuggers das Auffinden von logischen Fehlern erleichtern.

Der GNU Debugger

Der gdb (GNU Debugger) wird besonders im Open Source-Bereich im Zusammenspiel mit der GCC verwendet. Die Anwendung im Zusammenhang mit gfortran-compilierten Programmen ist relativ einfach, wenn auch nicht so problemlos wie bei C- oder C++-Programmen.

gdb und gfortran

Das Programm muss mit dem Optionsschalter -g erstellt werden. gfortran kennt noch andere erweiterte Optionen, die spezialisiertere Ergebnisse liefern. Für einfache Beispiele wie sie in diesem Buch vorzufinden sind reicht aber die -g-Option vollkommen aus.

gfortran -g -o bsp bsp.f90

Aufruf des Debuggers mittels

gdb bsp

Zu beachten ist, dass nach dem Start des Debuggers ein Breakpoint

b MAIN__

gesetzt wird, ansonsten findet der Debugger das zu debuggende Fortran-Programm nicht. Danach wird der Debuggerlauf mit

run

gestartet.

Einige wichtige gdb-Befehle:

`b <zahl>`	Breakpoint in der Zeile `<zahl>` setzen
`list`	Codelisting
`next`	Zur nächsten Zeile springen
`step`	Sprung in eine Subroutine
`print <var>`	Gibt den Wert der Variablen `<var>` aus
`c`	Das Programm fortsetzen (continue)
`until <zahl>`	Programm bis zur Zeile `<zahl>` ausführen
`quit`	Debugger beenden

gdb und g95

Das Debuggen von g95-compilierten Programmen funktioniert beinahe identisch zur Vorgehensweise mit gfortran. Allerdings ist zu beachten, dass ein Breakpoint

b MAIN_

(nur mit einem Unterstrich) vor dem run-Befehl gesetzt wird.

Der Intel Debugger

Die Firma Intel liefert bei ihren Fortran- und C++-Compilern den Kommandozeilendebugger idb mit.

Gestartet wird der Intel-Debugger mittels

idb -gdb bsp

Der Debugger befindet sich dann im gdb-Modus. Wird der idb ohne -gdb-Schalter aufgerufen, so wird er im dbx-Modus gestartet. Prinzipiell ist es ziemlich egal, in welchem Modus debugged wird. Die Befehlsbezeichungen und der Befehlsumfang unterscheiden sich etwas. Vor dem run sollte ein Breakpoint gesetzt werden. Das allerdings ganz normal mit Angabe einer Zeilennummer.

Quellcodedokumentation

ROBODoc

ROBODoc ist freie Software unter der GNU General Public License. Dieses Tool verwendet die normalen Kommentarzeichen der jeweiligen Programmiersprache und nutzt für die Dokumentationsgenerierung eigene Auszeichnungstags innerhalb dieser Kommentare.

Ein einfaches Beispiel

Beispielcode

Fortran 90/95-Code (free source form)

!****h* Beispielprogramm/circle
! NAME
!   circle
!
! DESCRIPTION
!   Modul fuer Kreisfunktionen
!
! AUTHOR
!   Intruder
!
! CREATION DATE
!   04.08.2007
!******
module circle
  implicit none


  !****d* circle/pi
  ! NAME
  !  pi
  !
  ! DESCRIPTION
  !  pi = 3.14
  !******
  real, parameter :: pi = 3.14


  contains
    !****f* circle/area
    ! NAME
    !   area
    !
    ! DESCRIPTION
    !   Berechnet Kreisflaeche
    !
    ! INPUTS
    !   r ... Radius (real)
    !
    ! RESULT
    !    Kreisflaeche (real)
    !******
    real function area( r )
      implicit none 

      real, intent( in ) :: r
    
      area = r ** 2 * pi
    end function area
end module circle

Fortran 90/95-Code (free source form)

!****h* Beispielprogramm/main
! NAME
!   main
!
! DESCRIPTION
!   Hauptprogramm
!
! AUTHOR
!   Intruder
!
! CREATION DATE
!   04.08.2007
!******
program main
  use circle
  implicit none
  
  real            :: r, a
  
  read( *, * ) r
  a = area( r )
  write( *, * ) "Flaeche = ", a
end program main

Erstellen der Dokumentation

Erstellen der Dokumentation im HTML-Format als Multidokument mit Index:

robodoc --src . --doc doc --multidoc --html --index

Screenshot

Kurze Erläuterung

ROBODoc filtert die erforderlichen Angaben für die Dokumentation aus den Fortran-Kommentaren heraus. Zu diesem Zweck sind in den Kommentaren Header einzubauen. Diese Header bestehen aus

begin marker
items
end marker

Ein begin marker beginnt immer mit 4 Sternchen, dann kommt ein Buchstabe als Elementkennzeichner. Es folgt ein Stern und dann Angaben zur Stellung des Elementes in der Dokumentationshierarchie.

In diesem Beispiel wurden folgende Elementkennzeichner verwendet:

h ... Modul
f ... Funktion
d ... Konstante (Definition)

Der Hierarchiebaum wird durch die strikte Angabe von

übergeordnetes Element/aktuelles Element

erstellt.

Die verschiedenen Items sind dann unterhalb dieses begin markers durch Schlüsselworte gekennzeichnet:

NAME
DESCRIPTION
AUTHOR
etc.

Sie dienen zur konkreten Beschreibung des jeweiligen Elementes.

Abgeschlossen wir ein solcher Dokumentations-Header durch den end marker. Dieser wird durch mindestens drei Sternchen gebildet.

Zwecks Erstellung der Dokumentation sind viele Optionen verfügbar. Die unbedingt erforderlichen Angaben sind

--src mit Angabe der Quelldatei bzw. dem Verzeichnis, in dem die Quelldateien liegen
--doc mit einem Vornamen für die Dokumentationsdateien bzw. der Bezeichnung des gewünschten Dokumentationsverzeichnisses
eine Angabe zu der Dokumentationsform:
- --multidoc ... Die Dokumentation wird in Form mehrerer Einzeldateien in des Dokumentationsverzeichnis geschrieben
- --singledoc ... Der Dokumentationsinhalt wird in eine einzige Datei geschrieben
die Angabe des Dokumentationsformates:
- --html ... HTML
- --rtf ... RTF
- --latex ... LaTeX
- --dbxml ... XML DocBook

Für dieses Beispielprojekt wird auch noch ein Index erstellt (--index).

Detaillierte Informationen zu ROBODoc sind unter dem nachfolgend angeführten Weblink zur ROBODoc-Homepage abrufbar.

Weblinks

ROBODoc

Natural Docs

Auch der Dokumentationsgenerator Natural Docs unterstützt bereits Fortran ab dem Standard 90/95 (free source form) in einer Basisvariante. Natural Docs ist in der Programmiersprache Perl verfasst. Als Softwarelizenz wurde die General Public License gewählt. Zum Zeitpunkt der Kapitelerstellung war die Version 1.35 aktuell.

Ein einfaches Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

! Section: Beispielprogramm
!   Autor: Intruder, Datum: 04.08.2007


! Group: circle
!   Modul fuer Kreisfunktionen
module circle
  implicit none


  ! Constant: pi
  !   pi = 3.14
  real, parameter :: pi = 3.14


  contains
    ! Function: area
    !   Berechnet Kreisflaeche
    !
    ! Parameters:
    !   r ... Radius (real)
    !
    ! Returns:
    !    Kreisflaeche (real)
    real function area( r )
      implicit none 

      real, intent( in ) :: r
    
      area = r ** 2 * pi
    end function area
end module circle


! Group: main
!   Hauptprogramm
program main
  use circle
  implicit none
  
  real            :: r, a
  
  read( *, * ) r
  a = area( r )
  write( *, * ) "Flaeche = ", a
end program main

Erstellung der HTML-Dokumentation:

NaturalDocs -i . -o HTML bsp -p .

Screenshot:

Kurze Erläuterung

Natural Docs filtert die benötigten Informationen mit Hilfe von Schlüsselwörtern aus den Kommentarbereichen der Fortrandateien. Die im Beispielprogramm verwendeten Schlüsselwörter sind:

Section
Group
Constant
Function
Parameters
Returns

Groß- Kleinschreibung spielt bei diesen Schlüsselwörtern kein Rolle. Abgeschlossen wird ein Schlüsselwort mit einem Doppelpunkt.

Beim Ausgabeschalter (-o) muss neben einem Ausgabeverzeichnis auch noch ein Ausgabeformat angegeben werden. Möglich sind

HTML
FramedHTML

Beim Schalter -p ist ein (Projekt)Verzeichnis anzugeben, wo Natural Docs einige benötigte Dateien ablegen kann, die nicht direkt zur erstellten Dokumentation gehören.

Für weitergehende Infos zu Natural Docs wird auf die unten angegebene Webpräsenz zu dieser Software verwiesen.

Weblinks

Natural Docs

Doxygen

Seit Version 1.5.4 vom 27. Oktober 2007 kann doxygen auch aus Fortran 90/95-Dateien Dokumentationen erstellen.

Ein einfaches Beispiel

Fortran 90/95-Code (free source form)

!> \file testprogramm.f90
!! \brief Datei fuer geometrische Berechnungen

!> Modul: circle
!> \author Intruder
!> \date 28.10.2007

module circle
  implicit none


  real, parameter :: pi = 3.14  !< PI


  contains
    !> Berechnet Kreisflaeche
    !> \param r ... Radius
    !> \return Kreisflaeche
    real function area( r )
      implicit none 

      real, intent( in ) :: r
    
      area = r ** 2 * pi
    end function area
end module circle


!> Hauptprogramm
program main
  use circle
  implicit none
  
  real            :: r, a
  
  read( *, * ) r
  a = area( r )
  write( *, * ) "Flaeche = ", a
end program main

Erstellen einer Konfigurationsdatei:

doxygen -g Doxyfile

Anschließend sollte man die Doxyfile bearbeiten und nach seinen eigenen Wünschen anpassen (Projektname, Outputordner etc.). Wichtig ist, dass das Flag OPTIMIZE_FOR_FORTRAN auf YES gesetzt wird.

Erstellen der Dokumentation (standardmäßig im HTML- und LaTeX-Format, optional auch XML, RTF und man-pages):

doxygen Doxyfile

Screenshot (HTML-Variante):

Weblinks

doxygen-Homepage

Make & Co.

Einleitung

Hier wird keine Einführung in die Verwendung und Syntax von make- und config-Tools geboten, sondern nur kurz auf einige Spezialitäten hingewiesen, die bei den ersten Einsatzversuchen derartiger Werkzeuge im Zusammenhang mit Fortran zu beachten sind.

Grundsätzlich kann bei der Erstellung von Makefiles und Konsorten eine ähnliche Vorgehensweise wie bei konventionellen C-Programmen gewählt werden. Es ist bei Fortran-Programmen jedoch zu bedenken, dass bei Verwendung von Modulen mod-Dateien generiert werden (ab Fortran 90). Diese mod-Dateien sind in weiterer Folge für das Kompilieren von moduleinbindenden Quellcodedateien und den Linkvorgang von entscheidender Bedeutung. Somit ist bei hierarchisch verzweigten Quellcodeverzeichnisbäumen Obacht zu geben, dass jeweils auch Zugriff zu diesen mod-Dateien gegeben ist. Dies kann geschehen durch

geeigneten Aufbau der Makefiles,
durch Verwendung von Tools, die solche Abhängkeiten automatisch auflösen
oder auch durch explizite Bekanntgabe der entsprechenden Pfade an Compiler und Linker.

Explizite Bekanntgabe von Modulpfaden

gfortran

Standardmäßig werden include- und mod-Dateien im aktuellen Verzeichnis gesucht. Die Suche kann aber mit folgendem Compilerschalter auf andere Pfade ausgedehnt werden:

-I...: Suchpfad für
- include-Dateien
- mod-Dateien

erweitern.

Standardmäßig werden mod-Dateien in das aktuelle Verzeichnis geschrieben. Dieses Verhalten kann mit folgendem Schalter geändert werden:

-J...: Legt Verzeichnis fest, in das die mod-Dateien geschrieben werden, gleichzeitig auch Suchpfad für mod-Dateien.

(Alias für -M... um Konflikte mit bisherigen GCC-Optionen zu vermeiden)

g95

Standardmäßig werden include- und mod-Dateien im aktuellen Verzeichnis gesucht. Die Suche kann aber mit folgendem Compilerschalter auf andere Pfade ausgedehnt werden:

-I...: Suchpfad für
- include-Dateien
- mod-Dateien

erweitern.

Auch der g95-Compiler kennt einen -M-Schalter. Dieser hat aber eine komplett andere Bedeutung als beim gfortran-Compiler. Stattdessen gibt es beim g95-Compiler den Schalter:

-fmod=...: Legt Verzeichnis fest, in das die mod-Dateien geschrieben werden, gleichzeitig auch Suchpfad für mod-Dateien.

ifort

-I...: Suchpfad für
- include-Dateien
- mod-Dateien

erweitern.

-module ..: Legt Verzeichnis fest, in das die mod-Dateien geschrieben werden, gleichzeitig auch Suchpfad für mod-Dateien.

Sun f90/f95

-M...: Fügt den angegebenen Pfad zum Modulsuchpfad hinzu.
–moddir=...: mod-Dateien werden in das angegebene Verzeichnis geschrieben, gleichzeitig auch Suchpfad für mod-Dateien.

GNU Make

GNU Make erkennt derzeit leider nur FORTRAN 77-Dateien mit der Endung .f automatisch. Für "free source form"-Fortran-Programme sind daher einige vorbereitende Arbeiten nötig, um dann auch die Vorteile (und Nachteile) der impliziten Anwendung von "Pattern Rules" genießen zu dürfen. Werden alle Makeschritte für Fortran-Dateien explit vorgegeben, dann kann man sich dies natürlich sparen.

Ein einfaches Beispiel

Es sei ein einfaches Beispiel gegeben, das eine FORTRAN 77-, eine Fortran 2003- und eine C-Datei enthält. Diese Dateien liegen im selben Verzeichnis.

Quellcode-Dateien

main.f03:

Fortran 2003 (oder neuer)-Code

! Das Hauptprogramm
program main
  implicit none 

  interface
    function addition( a, b ) bind( c )
      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
    
    subroutine sub()
    end subroutine sub
  end interface

  call sub()
  write (*,*) addition( 2.5, 3.3 )
  
! Ausgabe:  
!    Summe =
!      5.8  
end program main

func.c:

Programmcode

/* Addiere zwei Zahlen */
float addition(float a, float b)
{
  return (a + b);  
}

sub.f:

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

C  Eine einfache FORTRAN 77-Subroutine          
      SUBROUTINE SUB
      WRITE( *, * ) 'Summe ='   
      END

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

Explizite Vorgabe der Makeschritte

Makefile:

FC = gfortran        # oder g95, ifort, ...

prog: main.o func.o sub.o
	$(FC) -o $@ $^

main.o: main.f03
	$(FC) -c $^

func.o: func.c
	$(CC) -c $^
	
sub.o: sub.f
	$(FC) -c $^

Nutzung von "Pattern Rules"

Makefile:

FC  = gfortran      # oder g95, ifort, ...

%.o: %.f03
	$(FC) -c $<

prog: main.o func.o sub.o
	$(FC) -o $@ $^

Die Generierung der Objektdateien aus den Quellcodedateien geschieht hier implizit. Für C- und FORTRAN 77-Dateien sucht sich GNU Make die entsprechenden Regeln aus seiner internen Regel-Datenbank. Für .f03-Dateien wurde der entsprechende Befehl hier von uns explizit durch eine "Pattern Rule" vorgegeben.

Die make-Ausgabe sieht so aus:

gfortran -c main.f03
cc    -c -o func.o func.c
gfortran   -c -o sub.o sub.f
gfortran -o prog main.o func.o sub.o

Solange die Quelldateien im selben Verzeichnis liegen, ist die Erstellung eines Makefiles ziemlich einfach. Wenn aber die Quelldateien gestaffelt in Unterverzeichnissen gespeichert sind und womöglich noch Abhängigkeiten von einem Unterverzeichis zum anderen gegeben sind, dann kann die ganze Sache ziemlich kompliziert werden. Im Anschluss wird eine einfache nichtrekursive Make-Variante gezeigt.

Nichtrekursive Make-Variante

Vor der Programmerstellung:

-- (D) projektverzeichnis
 |-- (F) Makefile
 |-- (F) module.mk
 |-- (F) main.f90
 |
 |-- (D) kreis
 | |-- (F) module.mk
 | |-- (F) kreis.f90
 | |-- (F) kreissegment.f90
 |
 |-- (D) quadrat
 | |-- (F) module.mk
 | |-- (F) quadrat.f90 

(D) ... directory
(F) ... file

Nach der Programmerstellung durch Aufruf von make:

-- (D) projektverzeichnis
 |-- (F) Makefile
 |-- (F) module.mk
 |-- (F) main.f90
 |-- (F) main.o
 |-- (F) prog
 |-- (F) kreis.mod
 |-- (F) kreissegment.mod
 |-- (F) quadrat.mod
 |
 |-- (D) kreis
 | |-- (F) module.mk
 | |-- (F) kreis.f90
 | |-- (F) kreissegment.f90
 | |-- (F) kreis.o
 | |-- (F) kreissegment.o
 |
 |-- (D) quadrat
 | |-- (F) module.mk
 | |-- (F) quadrat.f90 
 | |-- (F) quadrat.o

Quellcode-Dateien

main.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

program main
  use kreis
  use kreissegment
  use quadrat
  implicit none
  
  call k()
  call q()
  call ks()
end program main

kreis/kreis.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module kreis
  implicit none
 
  private
  public :: k
    
  contains
    subroutine k()
      print *, "Ich bin ein Kreis!"
    end subroutine k
end module kreis

kreis/kreissegment.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module kreissegment
  use kreis
  implicit none
  
  private
  public :: ks
  
  contains
    subroutine ks()
      call k()
      print *, "Hihi, war nur ein Scherz. Ich bin ein Kreissegment!"
    end subroutine ks
end module kreissegment

quadrat/quadrat.f90:

Fortran 90/95-Code (free source form)

module quadrat
  implicit none

  private
  public :: q
  
  contains
    subroutine q()
      print *, "Ich bin ein Quadrat!"
    end subroutine q
end module quadrat

Makefile, Include-Dateien

Makefile:

FC       := g95
SRC      := 

OBJ      = $(subst .f90,.o,$(SRC))

%.o: %.f90
	$(FC) -c -o $@ $<

include kreis/module.mk
include quadrat/module.mk
include module.mk

prog: $(OBJ)
	$(FC) -o $@ $^

module.mk:

SRC += main.f90

kreis/module.mk:

SRC += kreis/kreis.f90 kreis/kreissegment.f90

quadrat/module.mk:

SRC += quadrat/quadrat.f90

Es gibt nur ein Makefile im Projekthauptverzeichnis. Sämtliche unterverzeichnisspezifischen Details (hier nur die Bekanntgabe der Quellcodedateien) werden in den jeweiligen Unterverzeichnissen in eigenen Include-Dateien (.mk) festgelegt und in das Makefile eingebunden. Da, anders als beim rekursiven Make, nicht in die einzelnen Unterverzeichnisse gewechselt wird, werden allfällige mod-Dateien auch nur in das Projekthauptverzeichnis (= das aktuelle Verzeichnis) geschrieben.

Weiterführende Make-Infos

CMake

CMake ist kein Make-Klon, sondern ein moderner Autotools-Ersatz.

Gleiches Beispiel wie bei [7], es muss in diesem Fall nur eine CMakeLists.txt-Datei im Projekthauptverzeichnis erstellt werden. Makefile und dazugehörende Dateien werden automatisch beim cmake-Aufruf erstellt.

CMakeLists.txt:

PROJECT(bsp Fortran)

SET(src
      main.f90
      kreis/kreis.f90
      kreis/kreissegment.f90
      quadrat/quadrat.f90
   )

ADD_EXECUTABLE(prog ${src})

Generieren der Makefiles, etc.:

FC=g95 cmake .

-- Check for working Fortran compiler: /xyz/bin/g95
-- Check for working Fortran compiler: /xyz/bin/g95 -- works
-- Checking whether /xyz/bin/g95 supports Fortran 90
-- Checking whether /xyz/bin/g95 supports Fortran 90 -- yes
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: /abc/projektverzeichnis

Mittels FC=... wird der zu verwendende Fortran-Compiler festgelegt. Wenn irgendein auf dem System installierter Fortran-Compiler verwendet werden soll, kann diese Vorgabe auch entfallen. In der CMakeLists.txt muss die Programmiersprache Fortran ausdrücklich aktiviert werden. Entweder wie hier im PROJECT-Statement oder alternativ auch über die ENABLE_LANGUAGE-Anweisung.

Programmerstellung:

make

Scanning dependencies of target prog
[ 25%] Building Fortran object CMakeFiles/prog.dir/kreis/kreis.o
[ 50%] Building Fortran object CMakeFiles/prog.dir/kreis/kreissegment.o
[ 75%] Building Fortran object CMakeFiles/prog.dir/quadrat/quadrat.o
[100%] Building Fortran object CMakeFiles/prog.dir/main.o
Linking Fortran executable prog

CMake (2.4-patch 7) erkennt nur Dateien mit den Endungen f, F, ,f77, F77, f90, F90, for, f95 und F95, jedoch keine mit f03 oder F03.

CMake-Homepage:

CMake Cross-platform Make

SCons

Photran - Eine IDE für Fortran basierend auf Eclipse

Für Fortran existieren bei weitem nicht so viele freie IDEs wie für C/C++. Eines der wenigen, wenn nicht sogar derzeit das einzige plattformübergreifende Werkzeug dieser Art ist Photran. Es basiert auf der bekannten Eclipse-IDE und deren C/C++-Erweiterung CDT. Photran weist aber noch nicht den Reife- und Fertigstellungsgrad seiner Java- oder C/C++-Pendants auf.

Leider existiert kein offizielles ausführliches Benutzerhandbuch für Photran und auch in diesem Buch wird momentan keine Photran-Kurzanleitung geboten. Grund ist, dass sich die Photran-Benutzerschnittstelle von Version zu Version noch sehr stark ändert. Es sollen hier also nur kurz einige Photran-Begriffe angerissen werden. Für weitere Informationen zu Photran wird auf die ehe spärliche offizielle Photran-Dokumentation verwiesen. Vieles in Photran ist ohnehin sehr ähnlich der Eclipse-IDE mit CDT-Erweiterung.

Download-Varianten:

Full Photran: Ein abgespecktes Eclipse mit den erforderlichen CDT- und Photran-Packages. Sofern auf dem Rechner eine installierte JRE oder ein JDK vorhanden ist, kann nach dem Download und Entpacken dieses Softwarepakets mit der Photran-IDE gearbeitet werden.
Photran Feature: In dieser Download-Variante ist nur die Fortran-Erweiterung für Eclipse enthalten. Dieses Paket muss also in eine schon vorhandene Eclipse-Installation eingespielt werden. Auch das CDT ist in diesem Paket nicht inkludiert.

In älteren Photran-Versionen konnte die gewünschte Projektart ("Standard Make" oder "Managed Make") noch direkt bei der Erstellung eines Photran-Projektes über Menüpunkte angewählt werden. Diese Möglichkeit ist in der Version 4.0 beta 2 entfallen. Die aktuell erforderlichen Schritte hin zu einem "Standard Make"- oder "Managed Make"-Projekt sind auf der Photran-Seite "Documentation for Photran" beschrieben.

"Standard Make": Der Programmierer muss sich selbst um die Erstellung der für das Programm erforderlichen Makefiles kümmern.
"Managed Make": Photran erstellt eigenständig die erforderlichen Makefiles. Dieser Projekttyp ist derzeit noch mit Vorsicht zu geniessen.

Weblinks

Photran-Webseite

Wikis

Standards

Skripten, Tutorials, Bücher

Fortran 2023

The New Features of Fortran 2023 (John Reid) (PDF)

Fortran 2018

Fortran 2003/2008

The New Features of Fortran 2003 (John Reid) (PDF)
The New Features of Fortran 2008 (John Reid) (PDF)
Brainerd: Guide to Fortran 2008 Programming; Springer, 2015, ISBN 978-1-4471-6889-8

Fortran 90/95

FORTRAN 77

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Quadratwurzel (FORTRAN 77)

R

S

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V

W

X

Y

Z

[1] Vorwort von Michael Metcalf in: W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery: Numerical Recipes in Fortran 90. Cambridge University Press, 1999, ISBN 0-521-57439-0.

[2] Herman Hollerith (* 1860, † 1929), Erfinder des Hollerith-Lochkartenverfahrens, Herman Hollerith

[3] w:Brian W. Kernighan

[4] w:en:Ratfiv

[5] w:Cray

[1]

[1]

[1]

[2]

[1]

Fortran: Druckversion

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Logische Ausdrücke

Logische Operatoren

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