5.16. Справочник по языку Fortran

ДЛЯ НОВИЧКОВНЕ ДЛЯ НОВИЧКОВНЕ ОБЯЗАТЕЛЬНОВ РАЗРАБОТКЕ

Разработчику Архитектору Инженеру

Справочник по языку Fortran

1. Общие характеристики языка

Fortran — компилируемый язык программирования высокого уровня, предназначенный в первую очередь для научных и инженерных вычислений. Язык поддерживает процедурное, модульное и объектно-ориентированное программирование. Fortran отличается строгой типизацией, эффективной работой с массивами, встроенной поддержкой параллелизма и численной стабильностью.

Язык чувствителен к регистру только в строковых литералах и комментариях. В остальном код не зависит от регистра символов. Современные версии Fortran используют свободный формат записи (free-form source), в отличие от фиксированного формата (fixed-form), применяемого в ранних версиях (Fortran 77 и ранее).

---

2. Структура программы

Программа на Fortran состоит из одной или нескольких программных единиц:

• Основная программа (program)
• Внешние подпрограммы (subroutine, function)
• Модули (module)
• Блоки внутренних подпрограмм (contains)

Пример минимальной программы:

program hello
  implicit none
  print *, 'Hello, World!'
end program hello

Ключевое слово implicit none отключает неявные объявления типов и требует явного указания всех переменных.

---

3. Типы данных

Fortran предоставляет встроенные скалярные и составные типы данных.

3.1. Встроенные скалярные типы

Тип	Описание	Пример литерала
integer	Целочисленный тип	42, -17
real	Вещественное число одинарной точности	3.14, -2.5e3
double precision	Вещественное число двойной точности (устаревший стиль)	1.23456789d0
complex	Комплексное число	(1.0, 2.0)
logical	Логический тип	.true., .false.
character	Символьная строка	'Hello', "Fortran"

3.2. Типы с параметрами (kind)

Каждый встроенный тип может быть дополнен параметром kind, определяющим его представление в памяти и точность.

Примеры:

integer(kind=4) :: i          ! 32-битное целое
integer(kind=8) :: j          ! 64-битное целое
real(kind=8) :: x             ! double precision
character(len=20) :: name     ! строка длиной 20 символов

Стандартные параметры kind можно получить через встроенные функции:

• selected_int_kind(r) — возвращает kind для целых чисел, способных представлять значения до 10^r
• selected_real_kind(p, r) — возвращает kind для вещественных чисел с p десятичными цифрами точности и диапазоном 10^±r

Пример:

integer, parameter :: dp = selected_real_kind(15, 307)
real(kind=dp) :: pi = 3.141592653589793_dp

3.3. Производные типы (type)

Пользователь может определять собственные составные типы:

type :: point
  real :: x, y
end type point

type(point) :: p1, p2

Производные типы могут содержать компоненты любого типа, включая другие производные типы, массивы и указатели.

---

4. Переменные и константы

4.1. Объявление переменных

Переменные объявляются с указанием типа и, при необходимости, атрибутов:

integer :: a, b
real, dimension(10) :: vector
character(len=30), parameter :: version = 'Fortran 2018'

4.2. Атрибуты переменных

Атрибут	Назначение
parameter	Константа времени компиляции
dimension(:)	Массив (размер указывается в скобках)
allocatable	Динамически выделяемый массив
pointer	Указатель
target	Цель для указателя
save	Сохранение значения между вызовами подпрограммы
intent(in/out/inout)	Направление передачи аргумента в подпрограмму
optional	Необязательный аргумент
public/private	Уровень видимости в модуле

4.3. Инициализация

Переменные инициализируются при объявлении или в исполняемом блоке:

integer :: counter = 0
real, dimension(3) :: coords = [1.0, 2.0, 3.0]

Массивы можно инициализировать с помощью конструкторов массивов: [...] или (/ ... /).

---

5. Операторы

5.1. Арифметические операторы

Оператор	Описание
+	Сложение
-	Вычитание
*	Умножение
/	Деление
**	Возведение в степень

5.2. Логические операторы

Оператор	Описание
.and.	Логическое И
.or.	Логическое ИЛИ
.not.	Логическое НЕ
.eqv.	Эквивалентность
.neqv.	Неэквивалентность

5.3. Операторы сравнения

Оператор	Альтернатива	Описание
.eq.	==	Равно
.ne.	/=	Не равно
.lt.	<	Меньше
.le.	<=	Меньше или равно
.gt.	>	Больше
.ge.	>=	Больше или равно

Современный стиль предпочитает символические формы (==, /=, <, <=, >, >=).

---

6. Управляющие конструкции

6.1. Условные операторы

if (однострочный):

if (x > 0) print *, 'Positive'

Блоковый if:

if (x < 0) then
  print *, 'Negative'
else if (x == 0) then
  print *, 'Zero'
else
  print *, 'Positive'
end if

6.2. Циклы

Цикл do:

do i = 1, 10
  print *, i
end do

Цикл с меткой (устаревший стиль):

do 10 i = 1, 5
  print *, i
10 continue

Бесконечный цикл:

do
  read *, x
  if (x == 0) exit
end do

Управление циклом:

• exit — выход из цикла
• cycle — переход к следующей итерации

Циклы могут иметь имена:

outer: do i = 1, 3
  inner: do j = 1, 3
    if (i == j) cycle outer
    print *, i, j
  end do inner
end do outer

6.3. Выбор (select case)

select case (status)
  case (0)
    print *, 'Success'
  case (1, 2)
    print *, 'Warning'
  case default
    print *, 'Unknown'
end select

Поддерживается выбор по целым, логическим и символьным значениям.

---

7. Массивы

Fortran предоставляет мощную встроенную поддержку многомерных массивов.

7.1. Объявление

real, dimension(10) :: a               ! одномерный
real, dimension(5, 5) :: matrix        ! двумерный
real, dimension(:,:), allocatable :: dyn_matrix

7.2. Индексация

Индексы по умолчанию начинаются с 1, но можно задать произвольный диапазон:

integer, dimension(-5:5) :: balance

7.3. Операции с массивами

Fortran поддерживает векторизованные операции:

a = b + c        ! поэлементное сложение
d = sin(a)       ! поэлементное применение функции
mask = a > 0     ! логический массив

7.4. Срезы (array sections)

vector(2:5)        ! элементы с 2 по 5
matrix(:, 3)       ! третий столбец
matrix(1:3, 2:4)   ! подматрица

7.5. Динамическое выделение

allocate(dyn_matrix(100, 100))
! ... использование ...
deallocate(dyn_matrix)

Проверка выделения:

if (allocated(dyn_matrix)) deallocate(dyn_matrix)

---

8. Подпрограммы

Fortran поддерживает два типа подпрограмм: подпрограммы-процедуры (subroutine) и функции (function).

8.1. Подпрограммы (subroutine)

Подпрограмма не возвращает значение напрямую, но может изменять аргументы через параметры с атрибутом intent(out) или intent(inout).

subroutine swap(a, b)
  real, intent(inout) :: a, b
  real :: temp
  temp = a
  a = b
  b = temp
end subroutine swap

Вызов:

call swap(x, y)

8.2. Функции (function)

Функция возвращает скалярное или массивное значение.

real function distance(x1, y1, x2, y2)
  real, intent(in) :: x1, y1, x2, y2
  distance = sqrt((x2 - x1)**2 + (y2 - y1)**2)
end function distance

Использование:

d = distance(0.0, 0.0, 3.0, 4.0)

Функции могут быть чистыми (pure) — без побочных эффектов — и элементными (elemental) — автоматически применимыми к массивам.

pure real function square(x)
  real, intent(in) :: x
  square = x * x
end function square

8.3. Необязательные и ключевые аргументы

Аргументы могут быть помечены как optional. Их наличие проверяется функцией present().

subroutine print_value(x, label)
  real, intent(in) :: x
  character(len=*), intent(in), optional :: label
  if (present(label)) then
    print *, trim(label), ': ', x
  else
    print *, x
  end if
end subroutine print_value

Ключевые аргументы позволяют вызывать подпрограмму с именованными параметрами:

call print_value(3.14, label='Pi')

---

9. Модули (module)

Модули — основной механизм инкапсуляции и повторного использования кода. Они содержат объявления типов, переменных, процедур и интерфейсов.

module math_constants
  implicit none
  private
  public :: pi, e

  real, parameter :: pi = 3.141592653589793
  real, parameter :: e  = 2.718281828459045
end module math_constants

Использование:

program test
  use math_constants
  print *, 'Pi =', pi
end program test

Модули компилируются отдельно и генерируют .mod-файлы, используемые другими единицами.

---

10. Объектно-ориентированное программирование

Fortran 2003 ввёл поддержку ООП.

10.1. Производные типы с процедурами

Процедуры могут быть привязаны к типу:

module shape_mod
  implicit none

  type :: shape
  contains
    procedure :: area => shape_area
  end type shape

contains

  real function shape_area(this)
    class(shape), intent(in) :: this
    shape_area = 0.0
  end function shape_area

end module shape_mod

10.2. Наследование

type, extends(shape) :: circle
  real :: radius
contains
  procedure :: area => circle_area
end type circle

Переопределение метода:

real function circle_area(this)
  class(circle), intent(in) :: this
  circle_area = pi * this%radius**2
end function circle_area

10.3. Полиморфизм

Переменные могут быть объявлены как class(...), что позволяет хранить объекты разных производных типов.

class(shape), allocatable :: s
allocate(circle :: s)
s%radius = 5.0
print *, s%area()

Для безопасного доступа к компонентам используется select type:

select type (s)
  type is (circle)
    print *, 'Radius:', s%radius
  type is (rectangle)
    print *, 'Width:', s%width
end select

---

11. Ввод и вывод (I/O)

Fortran предоставляет мощные средства форматированного и неформатированного ввода-вывода.

11.1. Основные операторы

• print * — вывод на стандартный поток
• write(unit, fmt) — запись в файл или устройство
• read(unit, fmt) — чтение из файла или устройства

11.2. Файловые операции

Открытие файла:

open(unit=10, file='data.txt', status='old', action='read')

Параметры open:

Параметр	Значения	Описание
unit	целое число	Номер канала
file	строка	Имя файла
status	'new', 'old', 'replace', 'scratch'	Состояние файла
action	'read', 'write', 'readwrite'	Доступ
form	'formatted', 'unformatted'	Тип данных
access	'sequential', 'direct'	Режим доступа
position	'rewind', 'append'	Позиция

Закрытие:

close(10)

11.3. Форматированный вывод

Формат задаётся строкой:

write(*, '(A, F8.3)') 'Value = ', x

Общие спецификаторы:

• Iw — целое, ширина w
• Fw.d — вещественное с фиксированной точкой
• Ew.d — экспоненциальная форма
• Aw — строка
• X — пробел
• / — новая строка

Пример:

write(*, '(I4, 2X, E12.5)') i, value

11.4. Неформатированный ввод-вывод

Используется для бинарных данных:

open(unit=20, file='binary.dat', form='unformatted')
write(20) array
read(20) array

---

12. Обработка ошибок

Fortran не имеет исключений в стиле C++ или Python, но поддерживает обработку ошибок через необязательные аргументы iostat, iomsg, stat.

Пример:

integer :: ios
character(len=100) :: errmsg

open(unit=10, file='input.txt', iostat=ios, iomsg=errmsg)
if (ios /= 0) then
  print *, 'Ошибка открытия файла: ', trim(errmsg)
  stop
end if

Аналогично для allocate:

allocate(big_array(1000000), stat=ios)
if (ios /= 0) then
  print *, 'Не хватает памяти'
end if

---

13. Параллелизм и коарсенная многопоточность

13.1. OpenMP (через директивы)

Fortran широко используется с OpenMP для распараллеливания циклов:

!$omp parallel do
do i = 1, n
  a(i) = sin(real(i))
end do
!$omp end parallel do

Требует компиляции с флагом -fopenmp (gfortran) или /Qopenmp (Intel).

13.2. Coarray Fortran (встроенный параллелизм)

Fortran 2008 ввёл коарреи — встроенную поддержку распределённых вычислений.

Объявление:

real, allocatable :: data[:]

Каждый "образ" (image) программы имеет свою копию. Обмен данными:

data[this_image()] = local_value
sync all
total = sum(data)

Запуск: ./program -n 4 (4 образа).

---

14. Встроенные процедуры (intrinsics)

Fortran содержит сотни встроенных функций и подпрограмм. Ниже — ключевые категории.

14.1. Математические

• abs(x) — модуль
• sqrt(x) — квадратный корень
• sin(x), cos(x), tan(x)
• exp(x), log(x), log10(x)
• min(a, b), max(a, b)
• mod(a, b) — остаток от деления
• sign(a, b) — перенос знака

14.2. Преобразования типов

• int(x) — в целое
• real(x) — в вещественное
• dble(x) — в double precision
• cmplx(x, y) — в комплексное

14.3. Работа с массивами

• size(array[, dim]) — размер
• shape(array) — форма (массив размерностей)
• lbound, ubound — границы индексов
• allocated(array) — выделена ли память
• merge(mask, true_val, false_val) — условное значение
• pack(array, mask) — сжатие по маске
• unpack(vector, mask, field) — распаковка

14.4. Строковые функции

• len(string) — длина
• trim(string) — удаление завершающих пробелов
• adjustl, adjustr — выравнивание
• index(str, substr) — позиция подстроки
• char(i) — символ по коду
• ichar(c) — код символа

14.5. Системные и служебные

• kind(x) — параметр kind
• selected_real_kind(p, r)
• epsilon(x) — машинный эпсилон
• huge(x) — максимальное значение
• tiny(x) — минимальное положительное нормализованное
• date_and_time([values])
• cpu_time(time) — процессорное время

---

15. Компиляция и сборка проектов

15.1. Популярные компиляторы

Компилятор	Команда	Особенности
gfortran (GNU)	gfortran -o program main.f90	Бесплатный, поддерживает Fortran 2018, часть GCC
ifort / ifx (Intel)	ifort -o program main.f90	Высокая производительность, оптимизация для Intel CPU
nvfortran (NVIDIA)	nvfortran -o program main.f90	Поддержка GPU (OpenACC, CUDA Fortran)
flang (LLVM)	flang -o program main.f90	Современный компилятор на базе LLVM

15.2. Расширения файлов

• .f — фиксированный формат (Fortran 77 и ранее)
• .f90 — свободный формат (Fortran 90+)
• .f95, .f03, .f08 — иногда используются для указания стандарта, но не обязательны
• .mod — файлы модулей, генерируются автоматически

15.3. Флаги компиляции (gfortran)

Флаг	Назначение
-O2, -O3	Оптимизация
-g	Отладочная информация
-Wall	Все предупреждения
-Wextra	Дополнительные предупреждения
-fcheck=all	Проверка границ массивов, аргументов и т.п.
-std=f2018	Строгое соответствие стандарту
-J<dir>	Каталог для .mod-файлов
-I<dir>	Каталог для include-файлов
-L<dir> -l<lib>	Ссылка на библиотеку

Пример полной команды:

gfortran -O3 -Wall -std=f2018 -J./mod -I./include \
  -c utils.f90 -o obj/utils.o

15.4. Сборка с Makefile

Для крупных проектов используется Makefile:

FC = gfortran
FFLAGS = -O2 -Wall -std=f2018 -Jmod -Iinclude
OBJDIR = obj
MODDIR = mod

SRCS = main.f90 math.f90 io.f90
OBJS = $(SRCS:.f90=.o)
OBJS := $(OBJS:%=$(OBJDIR)/%)

$(OBJDIR)/%.o: src/%.f90 | $(MODDIR)
	$(FC) $(FFLAGS) -c $< -o $@

$(MODDIR):
	mkdir -p $(MODDIR)

program: $(OBJS)
	$(FC) $(FFLAGS) $^ -o $@

clean:
	rm -rf $(OBJDIR) $(MODDIR) program

---

16. Отладка и профилирование

16.1. Отладка

• Используйте -g -fcheck=all для включения проверок.
• Запуск под gdb:

gfortran -g -fcheck=all -o program main.f90
gdb ./program

• Внутри gdb: run, break, print, step, continue.

16.2. Профилирование

• gprof: компиляция с -pg, затем gprof program gmon.out
• perf (Linux): perf record ./program, perf report
• Intel VTune, NVIDIA Nsight — для продвинутого анализа

16.3. Статический анализ

• gcc -fanalyzer (новые версии)
• Инструменты вроде SonarQube с плагинами для Fortran
• Ручной код-ревью с акцентом на инициализацию, границы массивов, использование intent

---

17. Лучшие практики и стиль кода

17.1. Обязательные правила

• Всегда используйте implicit none.
• Явно указывайте intent(in), intent(out), intent(inout) для всех аргументов подпрограмм.
• Инициализируйте все переменные перед использованием.
• Избегайте глобальных переменных — используйте модули с контролируемой видимостью (private/public).

17.2. Именование

• Переменные: snake_case — temperature, max_iterations
• Модули: module_name_mod — linear_algebra_mod
• Типы: type_name_t — matrix_t
• Константы: UPPER_SNAKE_CASE — PI, MAX_BUFFER_SIZE

17.3. Структура файла

!> @brief Краткое описание модуля
!! Подробное описание назначения, зависимостей, примеров использования
module example_mod
  implicit none
  private

  ! Публичные типы
  type, public :: data_container
    real, allocatable :: values(:)
    integer :: n = 0
  end type data_container

  ! Публичные процедуры
  public :: load_data, process_data

contains

  subroutine load_data(...)
    ! реализация
  end subroutine load_data

  function process_data(...) result(out)
    ! реализация
  end function process_data

end module example_mod

17.4. Документирование

Хотя Fortran не имеет встроенного механизма документирования, широко применяются комментарии в стиле Doxygen:

!> @brief Вычисляет евклидово расстояние между двумя точками
!! @param x1 Координата X первой точки
!! @param y1 Координата Y первой точки
!! @param x2 Координата X второй точки
!! @param y2 Координата Y второй точки
!! @return Расстояние как вещественное число
real function euclidean_distance(x1, y1, x2, y2)

---

18. Пример структуры крупного проекта

Согласно современным практикам и типичным шаблонам (включая рекомендации из загруженного файла Структура проекта.txt), проект на Fortran организуется следующим образом:

project/
├── README.md
├── LICENSE
├── Makefile
├── CMakeLists.txt                 (альтернатива Makefile)
├── src/
│   ├── main.f90
│   ├── core/
│   │   ├── math/
│   │   │   ├── linear_algebra.f90
│   │   │   └── fft.f90
│   │   └── physics/
│   │       ├── fluid_solver.f90
│   │       └── boundary_conditions.f90
│   └── utils/
│       ├── io_utils.f90
│       └── string_utils.f90
├── mod/                           (автоматически генерируемые .mod)
├── obj/                           (объектные файлы)
├── include/                       (если используются .h или .inc)
├── test/
│   ├── test_math.f90
│   └── run_tests.sh
├── examples/
│   └── demo_simulation.f90
└── docs/
    └── design_notes.md

Каждый подкаталог src/*/ содержит модули, соответствующие функциональной области. Все модули имеют префикс в имени (например, math_linear_algebra_mod), чтобы избежать конфликтов.

---

19. Совместимость и переносимость

• Избегайте расширений конкретного компилятора (например, !DEC$ директив без условной компиляции).
• Используйте iso_fortran_env для переносимых констант:

use, intrinsic :: iso_fortran_env, only: real64, int32, output_unit
real(real64) :: x
write(output_unit, *) 'Result: ', x

• Для работы с путями и файлами учитывайте различия ОС (Unix vs Windows), особенно в строках имён файлов.

---