Fortran程序的基本组成

1.3.1字符集

不是任何一种外文字母或数字符号都能被某一计算机语言接受。每一种计算机的高级语言分别规定了它允许使用的字符。

Fortran允许使用的字符如下

英文字母   A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

阿拉伯数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

特殊符号   :空格 = + - * / ( ) , . ': " ! % & ; < > $ ? _ (F90中新增的字符)

其中“$”和“?”号在程序中没有确切意义。应当注意,在F77语句中不区分大小写字母,例如写READreadRead是一样的,其它变量名和函数名中,大、小写字母也是等价的。但早期的Fortran卡片不允许小写,故老的程序代码都是大写的,很多人也养成了大写的习惯。

在每一种计算机系统所用的Fortran编译器中,可能对字符集或其功能作某些扩充。因此在使用某一具体的计算机时,应了解它的规定。例如“$”号可用于从屏幕上连接输出输入字符于同一行。标准还允许F90扩充进各国文字,各种专业用符号,这要看厂商装入的编译系统是否支持这些字符的使用。某些系统还可以用这些字符作为字符常数或注释,注意这类字符是2字节长度,在计算字符串长时要加倍。

1.3.2源码格式

a)    固定格式

Fortran作为历史上第一种高级语言,其程序编写的规则与当时使用的计算机系统有很大的关系。早期的计算机系统须用卡片将源程序输入,一张卡片相应于源程序的一行。由于卡片物理宽度的限制,因此一行程序允许的字符数也是有限的。由此决定了F77的格式,既为F90/95中的固定格式。

1-1 Fortran卡片。

 

一张卡片有1280列。其中有10行分别印有0l23456789十个数字。第O行上面的第一行作为第11行,再上面一行为第12行。一个字符由相应一列上的13个孔个孔来代表。如源程序某行第11列为字符“A”,则在该列上第12行和第l行上各穿一个方孔。注意此卡片允许的特殊字符只有十一个。

1-2 卡片输入机。

 

1-3 卡片穿孔机。

 
 

实际操作时利用卡片穿孔机,按下卡片穿孔机上某一个字符,则机器就会自动将卡片相应列中的相应位置穿上孔。如果一个源程序有100行,则需要100张卡片。在上机算题时,将穿好孔的卡片按顺序放入卡片输入机,启动机器,就将卡片上的信息输入计算机了。

早期编写F77程序使用如上图的F77程序纸,一行有80列,每行一条程序语句。这80列分为四个区,分别书写不同的内容:

*        标号区:第l5

可以写l5位整数。也可以没有标号。标号区中的空格不起作用。如lOO100  1 0 0作用相同。标号应是无符号整数(无正负号或小数点)。标号大小顺序没有任何要求。假如第二行的标号为1000,第三行的标号可以是10,也可以是99999

标号区内不得出现标号以外的内容,但注释行例外。注释行的内容可以写在标号区内,一行中第一列为C*的,该行即被认为注释行,编译时对该行内容不作翻译,对程序运行不产生任何影响。如果在第一列上出现的不是数字、空格或C*的字符,编译时按出错处理。

*        续行区:第6

如果在一行的第6列上写一个非空格和非零的字符,则该行作为其上一行的续行。注意在某些系统中,这个字符可以不限于上面所列的,如 @ } ] ~ 等字符均可使用[e_132_01.f]F77允许一个语句有19个续行(即一个语句最多可以写成20)。有的程序中第6列上用“l”,“2”,…表示该行是第1个或第2个续行,但用数字字符容易与第7列的数字形成连续的数字串而引起错觉,故最好使用固定的特殊字符。

*        语句区:第772

不要求一定从第7列开始写语句,可以从第7列以后(72列以前)的任何一列开始写,但一行只能写一个语句。如果写满了72列,一旦在终端上修改程序时在该行又插入了一些字符,就会使本行最后几个字符超出语句区而引起意料不到的错误。特别注意到语句最后的空格将可能溢出72列,在某些计算机系统上将导致难以查出的错误。应注意,引号内的字符串中所包括的空格是有效的,不能忽略[e_132_02.f]

*        注释区:第7380

在卡片输入法时代,程序员一般利用此8列为程序行编序号以便查找。注释区只对程序员提供辨别信息,不是语句的一部分,在编译时不对7280列作处理[e_132_03.f]

a)    自由格式

F90中,用自由格式编写程序有很大的自由度。与固定格式相比,不易产生键入位置的错误,而且易读易懂。

行  :一行为132列。可以有复数条程序语句,语句间用分号“;”分开。语句没有位置规定。

注释行:起始用注释符“!”号,此行其后的所有字符均作为注释(字符串中的!号除外,如 print *,’help!!!!’ )。

续行 :当一个语句非常长以至于132列都书写不下时,允许有39个续行。在语句行最后加上续行符“&”号。如果字符串跨2行以上,则在续行的开始位置也要加&号。注意语句的有效字符是从“&”前和续行符“&”之后的位置算起。[e_132_04.f90]

空格 :在语句名和变量名中间不能有空格。需要空格的地方必须有一个以上空格(GOTOGO TOELSEIFELSE IFEND构造名(构造名有:DO, PROGRAM, FUNCTION, MODULE, SUBROUTINE)等有两种写法的除外),如关系运算符 ==<= 不能写成 = =< =。这与F77有很大不同之处,因为F77的设计中将编译源程序的空格忽略[e_132_05.f][e_132_05.f90][e_132_06.f]

当程序员要将自己编写的F90程序与现有的用F77编写的子程序库在源码级结合起来的话,需要特别注意格式的差别。

b)    文件名

以上两种格式的源程序在编译时可以用选项来指定,对应的默认文件扩展名为:

*        固定格式: .for 或 .f [fixed.for]

*        自由格式: .f90 [free.f90]

1.3.3程序组成

a)    程序总体构造

Fortran90程序是一种分块形式的程序,整个程序由若干个程序模块组成。各模块都有相似的语句组织形式,其中主程序起整体控制作用,各辅程序模块各自完成问题中的一个算法。在解决一个比较复杂的问题时,先把求解的问题分解为若干相对独立的子算法,每一个子算法编为一个辅程序,然后按搭积木一样将各有关程序模块组成一个程序。主程序依次调用各辅程序模块,控制各子算法的实施,通过主程序对子程序的调用,形成程序的整体运行,完成问题的解。

若某一子程序算法仍复杂,可再把它分解为若干更小的算法,分别编写为更低一层次的辅程序,由其他辅程序分别去调用。这种情况可以类推到其它子程序或更低一层次。所以,Fortran程序=n个程序单位=1主程序单位+(0n-1)个子程序单位。在最简情况下, Fortran程序只由一个主程序构成而没有辅程序,所有算法都由主程序自身完成。按现代要求,即使功能比较简单的问题,也最好写成主程序调用辅程序的形式,以便于维护。

F77中定义的辅程序对所有其它辅程序都是公开的,即除自己本身以外都可以加以引用。而在F90中,辅程序可以被本身应用,且可以定义不能被其它辅程序应用的内部辅程序。

b)    程序单位

主程序

[PROGRAM  程序]            语句可省略

.....

END [PROGRAM [程序]]       END必须有

 

辅程序(过程)

SUBROUTINE 子程序

FUNCTION   函数
BLOCK DATA 块数据
MODULE     模块 (F90)

内部过程   CONTAINS (F90)

 

程序单位是Fortran中的基本成分,包括主程序、辅程序、块数据单元和内部过程。辅程序可以是函数辅程序或子程序辅程序。模块中包含可由其他程序单位访问的各种实体。块数据单元用来对有名公用块的数据对象规定初始值。一个执行程序总是由一个主程序单位和任意个(可以为零)其他类型的程序单位组成,任何程序单位都不能调用主程序。在主程序中定义的内部过程必须跟在CONTAINS语句之后,主程序是它的内部程序的宿主。过程包括函数和子程序,对一个子程序的引用是通过CALL语句或定义的赋值语句来引用的。

MODULE过程在主程序中通过USE语句与之相联系。模块用于组装若干功能(如过程、类型定义、语义扩展等)为一集团,是F90中极具柔软性的程序单位,它取代了F77中的某些不安全的特性。

BLOCK DATA辅程序的用处是定义全局常数或全局初始化,在F90中是不推荐使用的,其功能已被MODULEUSE取代。

c)    程序体和语句顺序

各程序单位(除模块程序单位外)的程序体形式相同,共分两部分:前面是说明部分,后面是执行部分(模块程序单位只有说明部分),两部分之间没有确切的分界,紧密衔接,但不准彼此穿插。即:程序单位=单位起始语句+程序体+单位结束语句。程序体=说明部分+执行部分。

Fortran要求严格的语句顺序。在每个程序单位中,根据语句种类按如下的次序排列。F77中的顺序可简单归纳为:

*        PROGRAMFUNCTIONSUBROUTINEBLOCK DATA程序单位开始语句

*        变量类型和语句函数等定义语句     (说明部分)

*        执行语句,DATA语句,FORMAT语句    (执行部分)

*        END语句

F90中将新增加的语句功能综合后,其顺序为:

PROGRAM, FUNCTION, SUBROUTINE, MODULE, BLOCK DATA

USE

FORMAT ENTRY

IMPLICIT NONE

PARAMETER

IMPLICIT

PARAMETER & DATA

定义:派生类型、接口块、变量类型、语句函数

DATA

执行结构

CONTAINS

内部过程或模块过程

END

整个程序中只能有一个PROGRAM,一个BLOCK DATA,可以有多个各自命名的FUNCTIONSUBROUTINE辅程序。

d)    英文名

变量名和程序名等使用的英文名是由(F776F9031)个字符(包含英文字母A-Z、数字0-9F90:下划线 _)构成,且第一个字符必须是字母。其英文名的有效使用范围原则上限于一个程序单位之内(内部过程除外)。如下面的语句是错误的:

INTEGER :: 1A          ! 不是以字母开头

INTEGER :: A_name_made_up_of_more_than_31_letters  ! 太长

INTEGER :: China:0     ! 含有不允许的字符

INTEGER :: A-3         ! 减号在此是无意义的

Fortran没有规定保留字,即可以用函数名或语句定义符作变量名。但为了避免混淆,建议不要使用Fortran中已有特定含义的字作变量名。如SIN是正弦函数的名字,如果有以下语句:

SIN3.5

PRINT *SIN

则语句中的SIN是变量名而不代表正弦函数。系统会根据它后面有无自变量而作出判断,又如:

READ *PRINT

此时PRINT是一个变量名而不代表“打印输出”的操作。系统会认定语句的第—个字READ为代表操作的语句定义符,而把PRINT作为READ语句中读数的变量。但在同一个程序单位(主程序或子程序分别是一个程序单位)中,变量名和函数名或语句定义符不能同名。以下是错误的:

SIN3.5

ASIN*SIN(2.0)

PRINT *PRINT

e)    标号和标签

可在语句开头加上标号或标签,用于指定特定的语句。有效范围限于一个程序单位内。

标号1-5位的10进制整数,且至少一位不为0,前导0不起作用。F90中,不可对空语句加上语句标号。

标签:英文名,后面接“:”(冒号) (F90)

 

DO 10 k = 1,100

...

10    CONTINUE

 

注:不能使用整型变量来指定转向语句的标号。如下是错误的。

n = 10

GOTO n

 

(F90)

DO k = 1,100

loop2:    DO

....

END DO loop2  !已有标签名时不能省略标签名。

END DO