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1、第二章 Fortran程序设计基础,本章主要包括以下内容： 1. 程序书写 2. 字符集及标识符 3. 数据类型 4. 声明的有关事项 5. 算数表达式 6. 表控输入/输出语句,第一节 程序书写,一. 程序构造形式例2-1 简单Fortran程序的构造形式PROGRAM MONEY！Calculates balance after interest compounded REAL BALANCE, INTEREST, RATE BALANCE = 1000 RATE = 0.09 INTEREST = RATEBALANCE BALANCE = BALANCE + INTEREST PRIN
2、T ，New balance:，BALANCEEND PROGRAM MONEY,* PROGRAM 关键字标识 Fortran 主程序，后接程序名，这一行是可选的；*！第二行是注释，不参加编译；* REAL 是声明语句，将后边的变量声明为实型数；* 空行不参与编译，只是增加程序的可读性；这四行是非执行部分；之后的部分到END语句之前为执行部分,根据上述的程序书写，给出简单 Fortran 90 程序的构造形式： PROGRAM 程序名 声明语句 执行语句 ENDPROGRAM 程序名 方括号内的部分是可选的，END 语句是唯一必须的，表示程序编译到此结束。 END 语句中的程序名可以省略，但
3、若出现程序名，必须同时出现 PROGRAM 关键字。 对于可选部分，如果缺省，则按照约定（隐含）规则进行,二. 语句语句是 Fortran 程序的基本单位，一条语句可包含0132个字符。 Fortran77规定，一条语句的不同部分应从特定的列开始，这样的书写格式称为固定格式，相应的程序文件扩展名为.f 或.for； Fortran 90 无此限制，自由格式，相应的文件扩展名为.f90。 除赋值语句外，所有的语句都从一个关键字开始。例如： 例2-1 中出现的关键字：PROGRAM、REAL、PRINT和END。 一般情况下，每行一条语句。 若一行有多条语句，它们之间以分号间隔。 可以将几条简单的
4、赋值语句写在一行上，例如： A =1；B =1；C =1 也可以只保证一行一条语句，例如： A =1 B =1 C =1 这完全根据个人的书写习惯决定。,假如一条语句一行写不完，允许出现续行，但要求被续行最后的非空白字符为&。例如： A174.6*& (T-1981.2) *3 续行从下一行的第一个非空白字符开始； 若下一行的非空白字符为&，则续行从该字符后的第一个字符开始。 A174.6* & (T-1981.2) *3 Fortran 90 允许出现多达39个续行。,三.空白的作用 空白没有意义，不参加编译。适当地运用空白空间，可以增加程序的可读性，例如程序块中的代码缩进。 DO 1 I=
5、1,10 DO 2 J=1,20 2 CONTINUE 1 CONTINUE 在代表有意义字符序列的记号(token)内，比如：标号、关键字、变量名、操作符等不允许出现空白。例如：INTE GER、BAL ANCE、 =都是非法的。 一般情况下，记号之间需留有空白。例如：30CONTINUE 是非法的，因为标号30 和关键字 CONTINUE 是两个独立的记号。 有的记号间的空白是可选的，例如：END PROGRAM 和 ENDPROGRAM是合法的。,四. 注释Fortran 90 只提供了一种注释方式：以感叹号开始的语句作为注释。注意： 字符串内的感叹号除外；如 this is a ! s
6、ubroutine 注释可以是一整行，也可以是空白行； 注释在编译时被忽略。,五. 固定格式例2-2C FIXED FORMAT DEMO PROGRAM Fixed PRINT*,Hello $World! PRINT 1010 FORMAT(1x,This program is written in fixed format.) END固定格式说明:一行共80列，4个区第1-5列，标号区，可以空白，也可以出现符号；第6列，续行标志区，可以空白（无续行），非0字符（续行）；第7-72列，语句区，语句区的书写可以从任意一列开始，空白编译时被忽略，一行只能书写一个语句；第73-80列，注释区，信
7、息提示，不参与编译,* 固定格式是为配合早期使用穿孔卡片输入程序所发明的格式， 这里介绍固定格式，只是让大家对 Fortran 77 程序有所了解，建议大家在编写程序时采用前述地自由格式。* 固定格式尽管有其过多的限制，但由于具有一定的规范性，方便程序的编写和检查。,一. 字符集 Fortran 90 字符集由下列字符组成： (1) 26个英文字母(AZ 和 az)； (2) 数字09； (3) 下划线 _ ； (4) 特殊字符 空格，*，/， （，），：，！，*， 等等，详见表 2-1 所示,第二节 字符集和标识符,二. 标识符 标识符命名(变量、常量、例程等)时，须以字母(AZ，az)开头
8、，后可接多达 30 个字母(AZ 或 az)、数字(09)或下划线(_)。例如： MASS，rate，Npts，I9J7，Time_Rate， 有下列几点值得注意： (1)只能以字母开头(3M，_Right 为无效标识符)； (2)不能含有空格字符(Time Rate为无效标识符)； (3)不区分字母大、小写(Vel，VEL，vel 为同一标识符)； (4)长度限定为31 个字符(Fortran 77 为6个字符)； (5)避免与关键字、标准例程重名。,数据类型的两层含义：1 数据可以取哪些值？2 数据可以进行哪些运算？ 例如：整数取0、1、2等，可以进行算术运算。数据类型的两大类型：1 数值
9、型，包括整型、实型和复数型；2 非数值型，包括字符型和逻辑型(或布尔型) 共计5个固有(内建)数据类型，除了固有类型之外，用户可以定义自己的数据类型：自定义数据类型或派生类型,第三节 数据类型,一. 整数类型 1 整型变量 声明整型变量的一般形式为： INTEGER I INTEGER(KIND=n) I n 是种类参数，取值1、2、4、8。 种类参数(KIND)是 Fortran 90 新添加的特性，通过规定存储数据所用的内存字节数来控制数据的取值范围，1、2、4、8为整数在内存中的存储字节数。 如果种类参数没有特别规定，则取缺省值，缺省值受编译器选项影响，若没有编译器选项规定，32 位系统
10、下缺省值为4。 不同种类参数的整数取值范围详见表 2-2。,KIND 函数的功能：在 Fortran 90中 KIND 函数用来获取缺省种类参数的值；HUGE 函数的功能：在 Fortran 90中 HUGE 函数用来获得取值范围的上限，上限加1 为取值范围的下限。程序代码段如下： INTEGER(8) I, Big, Small Big=HUGE(I) Small=Big+1 PRINT*, Largest: , Big PRINT*, Smallest: , Small根据表2-2，INTEGER（8）表示整数I的取值范围为： -922337203685477580892233720368
11、54775807根据HUGE函数的定义，则BIG=9223372036854775807SMALL=-9223372036854775808,平台(处理器和编译器)不同，相同的种类参数可能有不同的取值范围。缺点：影响程序代码的可移植性。Fortran 90 提供SELECTED_INT_KIND 函数，即： result = SELECTED_INT_KIND(r)result 代表整数 n 在范围-10rn10r内的种类参数例如：Result=SELECTED_INT_KIND(3) !2Result=SELECTED_INT_KIND(8) !4Result=SELECTED_INT_KI
12、ND(10) !8Result=SELECTED_INT_KIND(19) !-1 返回-1表示没有可用的种类参数,例如：要在不同的平台下表示1010内的整数 I，可以采取如下的声明方式： INTEGER，PARAMETER : K10 = SELECTED_INT_KIND(10) INTEGER(K10)I先声明依赖于特定平台的种类常数，再以该常数为种类参数声明变量。:表示在变量声明数据类型的同时，给变量赋初值,2 整型常量整型常量的一般形式为： sn_k其中：s代表正负号；n为 09 的十进制(前导0被省略)； k 指种类参数； n 和 k之间为一下划线。文字整型变量，其种类参数取缺省值
13、；也可显式声明种类参数，例如：-7_2,二. 实数类型1 实型变量 声明实型变量的一般形式为： REAL A REAL(KIND=n) A DOUBLE PRECISION A实型变量的规定：种类参数n 为4、8，缺省值为4。双精度实型数相当于REAL (8)，不需要再为其规定种类参数。实数取值范围分别为： REAL(4)，取值范围为1.1754944E-38 3.4028235E+38 REAL(8)，取值范围为2.225073858507201E-3081.797693134862316E+308,跟整数类型提供的 KIND、HUGE函数相对应，Fortran90为实数类型变量提供了获得实
14、数的取值范围下限函数 TINY、精度函数 PRECISION、指数范围函数 RANGE，以及获取特定平台下种类参数的函数SELECTED_REAL_KIND，其形式为： result SELECTED_REAL_KIND(p，r) 函数返回有效位数为 p(精度)、指数范围为10-r10+r 的实数种类参数。例如： 在特定平台下规定有效位数（精度）为15、指数为307，其种类参数为 SELECTED_REAL_KIND(15，307)，若没有可用的种类参数，函数分别返回-1、-2和-3： (1) 返回-1表示无法满足规定的有效位数； (2) 返回-2表示无法满足规定的指数范围； (3) 返回-3
15、表示有效位数和指数范围都无法满足。,2 实型常量文字实型常量是数学上实数的近似表达，分为带指数型和不带指数型.不带指数的实型常量一般形式为： sn_k带指数实型常量一般形式为： sn Esm_k 或 sn Dsm其中：s 代表正、负号；n、m代表09 的十进制数，n 通常带有小数点，m 为指数；k 为种类参数(一般取4、8)，若没有规定种类参数，种类参数取缺省值。例如： 1.0E6， 1.0D6 表示 1.0106 单精度REAL(4) 双精度REAL(8)* 以E和以D表示的实数的区别,三. 复数类型1 复数型变量 声明复数类型变量的一般形式为： COMPLEX X COMPLEX(KIND
16、=n) X复数类型变量的种类参数为4、8，种类参数缺省值为8;Fortran 90 支持复数类型及其算术运算。2 复数型常量 复数类型常量呈现下列形式： (r，m)其中，r 代表复数常量的实部；m 代表复数常量的虚部。,四. 逻辑类型1 逻辑型变量 声明逻辑型(或布尔型)变量 L 的一般形式为： LOGICAL L LOGICAL(KIND=n)L 种类参数 n 为1、2、4、8，种类参数缺省值为4。2 逻辑型常量 逻辑型常量为.TRUE.(逻辑真)和.FALSE.(逻辑假)，其种类参数取缺省值。 显式规定逻辑型常量的种类参数，例如：.TRUE._2，种类参数规定为2。,五.字符类型1 字符型
17、变量 声明字符型变量 C 的一般形式为： CHARACTER C CHARACTER (LEN=len) C，CHARACTER*len C CHARACTER (LEN=len，KIND=n) C CHARACTER (KIND=n，LEN=len) C字符型变量的规定：字符型有两个可选参数：长度参数LEN=和种类参数KIND=。不管是否显式规定，字符型种类参数总是1，即一个字符占一个存储字节。假如两个可选参数都没有给出，长度和种类参数均取缺省值 1；若只给出一个参数，代表长度；若给出两个参数，依次为长度和种类参数(种类参数只能取1)；若采取关键字(KIND =，LEN =)声明形式，参数顺
18、序可以任意。例如： CHARACTER (KIND=1，LEN=10) Str CHARACTER (LEN=10，KIND=1) Str,2 字符型常量 Fortran 中的字符串统一以单引号或双引号作为界定符： k_ch k_“ch”其中：k为可选的种类参数，ch 为字符(串)。示例： “WHAT KIND TYPE?” TODAY”S DATE IS “The average is：”约定： * 若要表示和界定符相同的字符，须用两个联系的界定字符来表示，例如：字符型常量“Fortrans 90”，表示字符串 Fortrans 90，字符串长度为12。 * 界定符必须统一：要么都用单引号，
19、要么都用双引号。,一. 强制类型声明 I N 规则：除非特别声明，在程序中的变量名凡以 I、J、K、L、M、N 这六个字母开头的都被认为是整型变量，以其他字母开头的表示实型变量。推荐使用：兼容Fortran 90前版本的程序代码。不推荐使用：这种隐含约定往往会带来严重的程序错误。,第四节 声明的有关事项,例 2-3 PROGRAM Main Interest=0.08 Count=0.08 PRINT*, Interest = ,Interest !0 PRINT*, Count = , Cont !0.0 END PROGRAM Main IMPLICIT NONE REAL Interes
20、t, Count Interest=0.08 Count=0.08 PRINT*, Interest = ,Interest !0.08 PRINT*, Count = , Count !0.08 END通过类型声明，消除隐含约定带来的错误。,二. 变量声明及初始化Fortran 语言属于编译型语言，程序编译过程中编译器为引用变量开辟了内存空间，程序执行过程中不再申请内存，动态分配除外。 变量声明一般形式为： 数据类型 ，属性: 变量列表约定： * 属性包括 DIMENSION 、PARAMETER 、TARGET 、POINTER 、ALLOCATABLE、INTENT 等； * 并列冒号“
21、:” 是可选的； * 在声明的同时给变量赋初值，符号“:” 不能省略； * 声明部分必须出现在执行部分之前，不能出现在执行部分； * DATA 也是声明的一部分，可以用来给变量赋初值，通常跟在赋值的变量声明之后、执行语句之前； * 值得注意的是：一般的赋值语句是执行语句,例2-4 变量声明及初始化PROGRAM Main IMPLICIT NONE INTEGER a REAL(8) :b=2.0 COMPLEX(8) :c=(1.0,2.0) CHARACTER(20) :str=“Fortran 90” a=6 PRINT*, a=, a, ,b=, b, ,c=, c, ,str=, s
22、trEND程序执行结果：a=6 ,b=2.0 ,c=(1.0,2.0) ,str=Fortran 90在声明的同时给变量赋初值，符号“:”不能省略，省略时可采用如下形式： INTRGER a a=6,例2-5 DATA 语句的使用PROGRAM Main IMPLICIT NONE INTEGER a REAL(8) b COMPLEX(8) c CHARACTER(20) str DATA a,b,c,str/1,2.0,(1.0,2.0),FORTRAN 77/ PRINT*, a=, a, ,b=, b, ,c=, c, ,str=,strEND * Fortran 77使用 DATA
23、语句来设置初值； * DATA 语句的格式是在 DATA 关键字后接上要设置初值的变量，然后再用两个斜杠包住要设置的变量值。,三. 常量声明(PARAMETER)在程序中固定不变的常数，如圆周率、重力加速度等，可以声明成变量。符号常量只能在声明时通过 PARAMETER 属性设置其值，而且只能设置一次。在程序中不能改变。例 2-6 常量声明 PROGRAM Main IMPLICIT NONE REAL,PARAMETER :PI=3.14159 PRINT 10, PI/6.010 FORMAT(PI/6.0=,F4.2) END计算结果：3.14159/6.0=0.523598在格式要求中
24、F4.2，即带小数点后两位共四位的实数，按照四舍五入的原则，得到结果：0.52,算术表达式由运算符、常量和变量组成，算术表达式获得的结果是标量，只是涉及到数值的大小。1. 运算符及其优先级 Fortran 有5 种算术运算符，分别是加、减、乘、除和乘幂，按优先级由低到高排列如下： + 加， 减，* 乘， / 除，* 乘幂(两个星号之间不能有空格)，( ) 括号其顺序是：乘除运算级高于加减运算，乘幂运算高于乘除运算，括号总是具有最 高优先级； 在运算级相同的情况下，按照“从左到右”的法则； 在连续的乘幂运算中，按照“从右至左”的法则，例如： 2*3*2，先计算3*2，再计算左边的乘幂，结果是 5
25、12，而不是 64,第五节 算术表达式,2. 整数除法编程实现除法运算时，如果是整数除法，那么结果也是整数。值得注意的是：如果不能整除，那么结果只取商的整数部分，小数部分被去掉，例如： INTEGER A，B，C A=1 B=2 C=A/B 那么编程计算结果为C=0，而不是0.5因此对于变量C,可以直接采用1.0/2.0或者0.5,而不能直接采用1/2. 对于整除情况,不会存在以上的问题,例如: INTEGER A，B，C A=6 B=2 C=A/B 那么编程计算结果为C=3,3. 算术表达式中的类型转换Fortran语言是非强类型语言，具有以下特点和规定:* 允许不同类型的数值型数据之间进行
26、算术运算；* 不允许数值型数据与非数据型数据之间进行算术运算；* 不同类型之间的算术运算式 一是显式地进行类型转换,例如 A、B 分别为整型和实型，REAL(A)就将整型 A 转换为实型，INT(B)则将实型 B 转换为整型。 一是系统自动转换规则，将低精度类型转换为高精度类型，例如在整型和实型之间进行算术运算时，整型将转换为实型。 例如3+4.0，程序执行时先将3转换成3.0，然后执行3.0+4.0，得到实型结果7.0。* 数据类型转换是从左至右，当遇到不同类型时才开始转换。例如：9/4/3.0 程序执行时，先进行9/4 整数除法运算，得整型数2，然后整型数2 被转换成实型数2.0，再除以实
27、型数3.0，最后结果时0.6666667，而不是数学上的结果0.75。 如果数值运算为9/4.0/3.0，最后结果是0.666666,根据数据格式写出结果。 因此：要注意计算机程序执行结果与数学习惯的区别。,4. 赋值语句中的类型转换例2-7，赋值语句中的类型转换PROGRAM Main IMPLICIT NONE INTEGER :a=3/2 INTEGER :b=3.0/2 REAL :c=3/2 REAL :d=3.0/2 PRINT*, a=, a, ,b=, b, ,c=, c, ,d=,dEND程序运算结果：a=1, b=1, c=1.0000000, d=1.500000程序说明
28、：: 不能缺少；变量与表达式的结果类型相同，直接进行赋值； 变量与表达式的结果类型不同，先进行表达式的类型转换，再进行赋值。进行变量赋值时最好使用相同类型。,表控输入/输出语句， READ*和 PRINT* 语句。READ和PRINT表示输入/输出，“*” 表示表控输入或输出，要求从系统隐含指定的输入/输出设备上输入或输出数据。1. 表控输入语句 表控输入：自由格式输入。READ*语句的一般形式为： READ* ,变量列表约定：表控输入，不必指定输入数据的格式，只需将数据依次输入；变量列表的变量用逗号分开，例如：A1，A2，A3当程序执行到 READ* 语句时，向设备发出输入数据的指令，通过键
29、盘输入数据。,第六节 表控输入/输出语句,数据输入形式：一个数据，可直接输入；多个数据，数据之间要分隔，解决的办法有两个： (1) 使用多行输入数据，每个数据单独放一行。 (2) 在一行输入多个数据，各个数据之间用分隔符分隔开。 允许使用的分隔符有空格、逗号和斜杠(/的作用是终止输入)。例 2-8 表控输入 PROGRAM Main IMPLICIT NONE INTEGER a REAL b CHARACTER(5) c LOGICAL d COMPLEX e PRINT*, “Input a, b, c, d, e” READ*, a, b, c, d, e PRINT*， a=, a,
30、,b=, b , ,c=, c, ,d=, d, ,e=, e END,程序运行结果：显示： “Input a, b, c, d, e”读入： 1,2,abc,.true.,(1,-1) -这里用的分隔符是 ，结果：a=1 ,b=2.0000000 ,c=abc ,d=T ,e=(1.0000000,-1.0000000),数据输入约定：（1）如果输入数据个数多余变量个数，多余的数据不起作用（被忽略）；如果输入数据个数少于变量个数，例如使用斜杠提前结束输入，Fortran不认为有错，而是把没有输入数据的数值型变量值设为0或者0.0（按照缺省值给定），字符型变量值的设定依赖于特定系统的字符串。（
31、2）输入数据的类型要与对应的变量类型一致。 * Fortran允许将一个整数输入给一个实数，也允许将一个实数输入给一个整数； * 一个整数或实数可以输出给一个字符型变量，一个含有前导字符是字母的字符串不能输给一个整数或实数。（3）若字符不含空格，输入时可不加界定符（“”或）；否则需加。（4）Fortran规定：一个READ*语句必须从一个新的输入行开始，即要求输入数据的行数至少与READ*语句的个数相等。,2. 表控输出语句 表控输出语句的一般形式为： PRINT*，输出变量列表约定：（1）输出变量列表可以是常量、变量、表达式或字符串，使用逗号分隔。（2）PRINT* 语句使用简单，可以跟踪计
32、算过程中变量的变化情况。（3）对多个 PRINT* 语句，Fortran 规定：每个 PRINT* 语句都从一个新行开始输出，自动换行；若一个 PRINT* 语句无输出项，将在屏幕输出一空白行。（4）PRINT* 语句具有计算功能，可以直接进行表达式计算。例2-9 表控输出PROGRAM Main IMPLICIT NONE INTEGER :a=1,b=5,c=8 PRINT*, max(a,b,c)=, MAX(a,b,c)END程序运行结果：max(a,b,c)=8 -在输出过程中执行了求最大值运算,程序由声明语句和执行语句构成，以END结尾；Fortran90自由格式，任一列开始，容纳
33、132字符，可续行39个；记号内不允许出现空白；注释以感叹号标识字符集包括26个字母，数字、下划线及21个特殊字符；标识符名只能由字母、数字和下划线构成，并以字母开头，长度可达31个字符数据类型：整型、实型、复数型、逻辑型和字符型，并以种类参数KIND（存储字节数）控制数据取值范围和精度。字符型除种类可选参数（值为1）外，还有规定字符串长度的可选参数,小 结,通过IMPLICIT NONE 强制类型说明、声明变量的通用形式：数据类型，属性:变量列表，当有属性存在，或声明变量的同时进行初始化，声明操作符（:）是必须的。声明常量使用PARAMETER属性，并在声明同时进行赋值算术运算规则及运算符号的优先级和数学上一致，整数除法若不能整除，结果取商的整数部分，小数点后部分被去掉；若表达式中操作类型不一致，且没有进行显式类型转换，系统自动从左到右，按运算符号优先级，将低精度类型转换为高精度类型进行运算当输入/输出简单数据时，可以适用READ*/PRINT*语句，按自由格式，分别从键盘键入数据，从屏幕显示输出数据,