Перейти к основному содержимому

5.16. Основы языка

ДЛЯ НОВИЧКОВНЕ ДЛЯ НОВИЧКОВНЕ ОБЯЗАТЕЛЬНОВ РАЗРАБОТКЕ
Разработчику Архитектору

Основы языка​

Fortran — один из старейших языков программирования высокого уровня, созданный в середине 1950-х годов. Его разработка началась в IBM под руководством Джона Бэкуса с целью упростить написание программ для научных и инженерных вычислений. Изначально язык носил название FORmula TRANslation, что отражало его основное назначение: перевод математических формул в исполняемый код. С тех пор Fortran прошёл долгий путь эволюции, сохранив при этом свою специализацию на задачах, требующих высокой производительности и точности численных расчётов.

Что собой представляет Fortran​

Fortran — это процедурный язык программирования, ориентированный на выполнение сложных математических операций. Он предназначен для работы с числовыми данными, массивами, матрицами и другими структурами, характерными для научных и инженерных дисциплин. Fortran остаётся одним из ключевых инструментов в таких областях, как физика, метеорология, аэродинамика, квантовая химия, гидродинамика и вычислительная математика.

Особенностью Fortran является его способность эффективно использовать аппаратные ресурсы компьютера. Компиляторы Fortran оптимизируют код на уровне, сравнимом с низкоуровневыми языками, такими как C или даже Assembly, при этом сохраняя удобочитаемость и близость к математической записи. Эта особенность делает Fortran предпочтительным выбором для задач, где важна скорость выполнения и точность вычислений.

Современные версии Fortran (начиная с Fortran 90 и особенно с Fortran 2003) поддерживают модульную структуру, рекурсию, динамическое управление памятью, параллельные вычисления и объектно-ориентированное программирование. Это позволяет использовать язык не только в традиционных научных приложениях, но и в более сложных архитектурах программного обеспечения.

Синтаксис​

Синтаксис Fortran отличается своей лаконичностью и ориентацией на математическую запись. Программа на Fortran состоит из последовательности операторов, каждый из которых выполняет определённое действие. В ранних версиях языка (например, Fortran 77) использовался фиксированный формат строк: первые шесть символов строки имели служебное значение, а основной код начинался с седьмой позиции. Современные версии языка используют свободный формат, при котором каждая строка может содержать произвольное количество пробелов и переносов, а операторы завершаются символом новой строки.

Программа на Fortran обычно начинается с заголовка программы, за которым следует раздел описания переменных, а затем — исполняемая часть. Все переменные должны быть объявлены до их использования, хотя в самых ранних версиях языка допускалось неявное объявление по первой букве имени (например, переменные, начинающиеся с I–N, считались целыми). В современных стандартах рекомендуется отключать такое поведение и явно указывать тип каждой переменной.

Fortran использует ключевые слова на английском языке, такие как program, integer, real, if, do, end, subroutine, function, module, type, class, allocate, deallocate. Эти слова задают структуру программы и управляют потоком выполнения. Язык чувствителен к регистру только в строковых константах; все остальные элементы программы могут быть написаны как в верхнем, так и в нижнем регистре.

Операторы ввода-вывода, такие как read и write, позволяют взаимодействовать с пользователем или внешними файлами. Управление циклами осуществляется с помощью конструкций do, а ветвление — с помощью if. Fortran также поддерживает многострочные условные блоки и вложенные циклы, что делает его пригодным для реализации сложных алгоритмов.

Ориентирован на математические вычисления​

Fortran был создан специально для решения задач, связанных с численными методами и математическим моделированием. Язык предоставляет встроенные типы данных для представления целых, вещественных и комплексных чисел с различной точностью. Поддерживаются одинарная, двойная и расширенная точность, что позволяет подбирать оптимальный баланс между скоростью и точностью вычислений.

Арифметические операции в Fortran записываются в привычной инфиксной форме: +, -, *, /, ** (возведение в степень). Приоритет операций соответствует математическим правилам, а скобки позволяют явно задавать порядок вычислений. Язык содержит богатую библиотеку встроенных функций: тригонометрические, логарифмические, экспоненциальные, функции округления, модуля, квадратного корня и многие другие.

Особое внимание в Fortran уделяется работе с массивами. Массивы могут быть одномерными, двумерными и многомерными, с количеством измерений до семи (в зависимости от реализации компилятора). Элементы массива индексируются целыми числами, причём начальный индекс по умолчанию равен единице, но может быть изменён при объявлении. Это даёт возможность точно соответствовать математическим обозначениям, где индексация часто начинается с 1.

Fortran позволяет выполнять операции над целыми массивами сразу, без необходимости явного перебора элементов. Такие операции называются векторизованными и позволяют писать компактный и читаемый код, близкий к математической записи. Например, сложение двух массивов записывается как простое выражение C = A + B, где A, B и C — массивы одинаковой размерности.

Поддержка многомерных массивов «из коробки»​

Многомерные массивы являются одной из ключевых возможностей Fortran. Язык предоставляет прямую поддержку массивов с несколькими измерениями, включая удобные средства для их объявления, инициализации, передачи в подпрограммы и возврата из них. Размеры массивов могут быть заданы как константами, так и переменными, что позволяет создавать динамические структуры данных.

Объявление массива в Fortran выглядит следующим образом:

real, dimension(10, 20) :: matrix

Это создаёт двумерный массив вещественных чисел размером 10 на 20. Для динамических массивов используется атрибут allocatable:

real, dimension(:,:), allocatable :: dynamic_matrix

Память для такого массива выделяется во время выполнения с помощью оператора allocate, а освобождается с помощью deallocate. Это позволяет гибко управлять ресурсами и адаптировать программу под объём входных данных.

Fortran также поддерживает срезы массивов — выделение подмножества элементов по одному или нескольким измерениям. Например, matrix(2:5, :) означает все строки с 2 по 5 и все столбцы. Срезы можно использовать в выражениях, присваиваниях и вызовах функций, что делает работу с подмножествами данных интуитивной и эффективной.

Передача массивов в подпрограммы осуществляется по ссылке, что исключает копирование больших объёмов данных и повышает производительность. Современные стандарты Fortran также позволяют указывать интерфейсы подпрограмм явно, что обеспечивает проверку согласованности аргументов на этапе компиляции.

Процедурный, с элементами ООП (с Fortran 2003)​

Изначально Fortran был чисто процедурным языком: программа состояла из главной программы и набора подпрограмм — процедур (subroutine) и функций (function). Каждая подпрограмма выполняла определённую задачу и могла принимать аргументы, возвращать результаты и вызывать другие подпрограммы. Такой подход хорошо подходил для структурирования научных программ, где вычисления разбивались на логические блоки.

Начиная с Fortran 90, язык получил поддержку модулей — механизмов для группировки связанных данных и подпрограмм. Модули позволяют инкапсулировать функциональность, управлять видимостью переменных и процедур, а также повторно использовать код в разных программах. Это стало важным шагом к модульной и масштабируемой разработке.

Fortran 2003 ввёл поддержку объектно-ориентированного программирования. В языке появились производные типы с возможностью наследования, полиморфизма и динамической диспетчеризации. Типы данных могут содержать не только поля, но и процедуры, связанные с этими полями. Это позволяет моделировать сложные системы, где объекты обладают состоянием и поведением.

Например, можно определить базовый тип shape, а затем создать производные типы circle и rectangle, каждый из которых реализует собственную версию процедуры area. При вызове этой процедуры через полиморфную переменную будет автоматически выбрана нужная реализация. Такой подход упрощает расширение программ и поддержку различных вариантов поведения.

Несмотря на добавление объектно-ориентированных возможностей, Fortran остаётся преимущественно процедурным языком. Большинство научных библиотек и приложений продолжают использовать классический процедурный стиль, дополняя его модулями и современными возможностями управления памятью и параллелизмом.

Стандарты и эволюция синтаксиса​

Fortran развивается через официальные стандарты, утверждаемые международной организацией ISO. Каждый новый стандарт расширяет возможности языка, сохраняя при этом обратную совместимость с предыдущими версиями. Это позволяет многолетним научным кодовым базам продолжать работать без переписывания, даже при переходе на современные компиляторы.

  • FORTRAN I (1957) — первая реализация, ориентированная на автоматизацию математических вычислений на мейнфреймах IBM.
  • FORTRAN IV (1962) — устранение некоторых машинно-зависимых конструкций, улучшение портируемости.
  • FORTRAN 66 — первый официальный стандарт ANSI, закрепивший базовые принципы языка.
  • FORTRAN 77 — добавление блочной структуры, улучшенного управления данными, поддержки символьных строк и более строгой типизации.
  • Fortran 90 — революционный шаг: свободный формат исходного кода, модули, рекурсия, динамические массивы, операции над массивами целиком, внутренние подпрограммы.
  • Fortran 95 — небольшие уточнения и исправления, включая FORALL для параллельных операций.
  • Fortran 2003 — полноценная поддержка объектно-ориентированного программирования, обработка исключений, интеграция с C.
  • Fortran 2008 — ко-массивы (coarrays) для параллельных вычислений, улучшенная поддержка ООП, вложенные процедуры.
  • Fortran 2018 — дальнейшее развитие параллелизма, улучшение совместимости с другими языками, поддержка асинхронных операций.

Каждый стандарт не просто добавляет новые функции, но и меняет культуру программирования на Fortran: от жёсткой привязки к железу к абстракциям, близким к современным языкам высокого уровня.

Компиляторы и инструменты​

Fortran поддерживается рядом высокопроизводительных компиляторов, каждый из которых оптимизирован под определённые платформы и задачи:

  • GNU Fortran (gfortran) — часть компиляторной коллекции GCC, бесплатный, открытый, поддерживает все современные стандарты, широко используется в академической среде и Linux-экосистеме.
  • Intel Fortran Compiler (ifort / ifx) — ориентирован на максимальную производительность на процессорах Intel, особенно в связке с библиотеками MKL (Math Kernel Library). Поддерживает OpenMP, MPI и другие технологии параллелизма.
  • NAG Fortran Compiler — известен своей строгостью и точностью диагностики ошибок, часто используется для проверки переносимости и корректности кода.
  • IBM XL Fortran — оптимизирован для архитектуры Power и мейнфреймов z/OS, применяется в крупных корпоративных системах.
  • PGI/NVIDIA HPC SDK — включает компиляторы для CPU и GPU, поддерживает директивы OpenACC для ускорения вычислений на графических процессорах.

Современные среды разработки, такие как Visual Studio Code с расширениями Modern Fortran, или специализированные IDE (например, Code::Blocks с плагинами), обеспечивают подсветку синтаксиса, автодополнение, отладку и интеграцию с системами сборки (CMake, Make).

Области применения​

Fortran остаётся доминирующим языком в следующих сферах:

  • Вычислительная физика — моделирование плазмы, гидродинамики, квантовой механики.
  • Метеорология и климатическое моделирование — глобальные модели атмосферы и океанов (например, WRF, CESM).
  • Аэрокосмическая инженерия — расчёты прочности, аэродинамики, траекторий.
  • Химия и материаловедение — программы типа Gaussian, VASP, Quantum ESPRESSO написаны частично или полностью на Fortran.
  • Финансовое моделирование — высокоточные расчёты опционов, рисков, портфелей.
  • Ядерная энергетика — симуляции реакторов и радиационных полей.

Эти области требуют не только точности, но и способности эффективно использовать суперкомпьютеры. Fortran отлично масштабируется на многопроцессорные системы благодаря своей предсказуемой памяти и минимуму скрытых накладных расходов.

Сравнение с другими языками​

Fortran часто сравнивают с C, C++, Python и Julia. У каждого из этих языков есть свои преимущества, но Fortran сохраняет уникальные особенности:

  • По сравнению с C, Fortran предлагает более естественную работу с массивами, встроенную поддержку комплексных чисел и лучшую оптимизацию для численных циклов. В то же время C даёт больший контроль над памятью и системными ресурсами.
  • По сравнению с C++, Fortran проще в освоении для учёных, не являющихся профессиональными программистами. C++ предоставляет мощные абстракции, но ценой сложности и потенциальных ошибок управления памятью.
  • По сравнению с Python, Fortran значительно быстрее в выполнении «тяжёлых» вычислений. Однако Python удобнее для прототипирования, анализа данных и взаимодействия с веб-сервисами. Часто эти языки используются вместе: Fortran для ядра вычислений, Python — для интерфейса и визуализации.
  • По сравнению с Julia, Fortran уступает в гибкости и современности синтаксиса, но выигрывает в зрелости экосистемы, наличии проверенных десятилетиями библиотек и стабильности на суперкомпьютерах.

Fortran не стремится быть универсальным языком. Он остаётся специализированным инструментом для тех, кто решает задачи, где важны скорость, точность и масштабируемость.