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原文: Fortran Cookbook:收集Fortran的奇淫技巧

本人准备写一本关于Fortran语言技巧的资料, 草稿提纲如下：

• 数组

  • 整体操作
  • 数组切片

• 变量声明

  • ::
  • 动态内存管理
  • 指针
  • 自定义类型
  • 重载

• 文件操作

  • open
  • 创建临时文件
  • 读写二进制流文件
  • 检查IO函数返回值
  • 检查IO函数出错指示
  • 检查文件尾指示
  • 异步IO
  • close
  • rewind
  • fseek
  • inquire
  • endfile

• 打印、格式化

• 命令行参数

• 多进程、多线程

  • OpenMP
  • MPI
  • GlobalArray

• 常用内置函数

• 浮点计算

  • 精度控制
  • 使用浮点异常

• 字符串

• C函数之间互调

  • iso_c_binding
  • C结构和Fortran TYPE
  • Matlab和Fortran

• 调试

  • namelist
  • 预处理
  • stop语句

• 特色控制语句

  • CASE
  • FORALL
  • WHERE

• 程序结构

  • 模块
  • 函数
  • 内置函数
  • main函数

常用内置函数

• 浮点和整数之间的转换: 取整, 截断函数

  1. 浮点数截断取整: AINT(X), INT(X). 类似C语言的(int)(x). AINT返回浮点数, INT返回整数, 例如, AINT(-3.2)返回浮点数-3.0, INT(-3.2)返回整数-3
  2. 浮点数四舍五入: ANINT(X), NINT(X). 类似C语言round函数. ANINT返回浮点表示, NINT返回整数, 例如, ANINT(-3.7)返回-4.0, NINT(-3.7)返回-4
  3. FLOOR(X), CEILING(X). 等同于C函数floor和ceil
  4. MOD(A,P), MODULO(A,P). MOD(A,P)相当于A-INT(A/P)P; MODULO(A,P)对整数相当于C语言的A%P, 对浮点数相当于A-FLOOR(A/P)P.

• 几个数学函数

  1. SIGN(X, Y), 符号提取函数. 可用SIGN(X,Y).EQ.X判断X,Y是否同号
  2. ATAN2(Y,X), 求点(X,Y)所在象限角度. 有人用ATAN来求角度, 之后通过X,Y的符号确定(X,Y)在那个象限, 其实直接用ATAN2最方便, 效率也最高.
  3. RANDOM_NUMBER(A), 生成一个或多个随机变量. 如果A是数组, 那调用后, 每个A的元素都是一个随机数.

数组操作

1. 数组置零:

   1. A=0

2. 数组切片置零:

   1. 某列置零A(:, 2)=0
   2. 某行置零A(2,:)=0
   3. 奇数行置零A(1::2,:)=0
   4. 奇数行偶数列置零： A(1::2,2::2)=0

3. 数组Copy:

   1. 整体Copy:A=B
   2. 部分切片复制:A=C(1:10:2, :)

4. 数组运算

   1. 加法：A=B+C
   2. 乘法：A=B*C
   3. 除法：A=B/C
   4. 矩阵乘法：A=matmul(B,C)

5. IO读写：

   1. write(11) A
   2. read(11) A
   3. write(11) A(:,2)
   4. read(11) A(:,2)

说明

• 如果用过Matlab的话, 就比较容易理解Fortran中多维数组的语法, 两者不同点是, 对切片语法的定义Matlab是 start_index:step:end_index, Fortran是start_index:end_index:step

• 程序中应该尽可能的使用数组整体操作, 代码行数会较少, 性能上也可能会带来好处

• Fortran中很多内置函数都能直接用在数组上

代码阅读、调试、编译、链接

1. implicit none.
   Fortran默认情况下变量是不需要声明, 调试程序的时候多数人会遇见因为拼写错误, 获得一些异常结果, 将变量声明打开, 编译时会检查出这类错误.

2. namelist.
   名字列表在调试期间和测试期间比较有用, 它可以将多个变量捆成一组, 进行集中输出和输入. 有些情况下可以用namelist代替命令行参数传入：将需要的参数以namelist的方式传入程序, 避免了繁琐的参数解析过程！

   namelist确实很方便, 比如对于数组A(3,2), 可以使用类似 A(1:3,2) = 5,3,4 A(1:3,1) = 2,0,9 或者 A = 2,0,9,5,3,4 这样的方式来输入

   namelist在调试和测试中使用是非常不错的！举个例子：

   program main
     implicit none
     integer ::a
     real(4)::x
     real(8)::y
     
     namelist /debug1/ a
     namelist /debug2/ x, y
     namelist /debug3/ a, x, y
     
     a=100
     x=1.1111_4
     y=2.2222_8
     
     write(*, nml=debug1)
     write(*, nml=debug2)
     write(*, nml=debug3)  
   end program main
   

3. Preprocess.
   Fortran支持类C的预处理, fpp, 在调试程序时较有用处.

4. Emacs.
   Emacs内置Fortran语言支持, 编码和调试都可在Emacs下进行.

5. understand for fortran 是阅读代码不错的工具软件, 类似SourceInsight

   understand for fortran是要钱的, 破解找起来比较烦. 建议使用Doxygen生成HTML文档, 所有的调用/被调用, 引用关系全部能够生成. 在浏览器里面点点就知道程序的结构了.

6. linux工具：gdb, ddd, nm, ldd, od.
   gdb+ddd通用调试工具; nm可以看目标文件的符号等信息, 可以帮助诊断连接中的问题, 比如找不到符号; ldd能用来看程序需要的共享库信息; od能直接看二进制文件内容.

文件IO

1. 创建临时文件: open(unit=11, status='scratch',...)

2. 查看IO操作状态

   1. IO操作返回值：open(unit=11, iostat=stat, ...), 检查整数stat的值, 可以确定IO操作的成功与否！
   2. EOF、ERR
   3. 说明: Fortran的IO操作是可以返回状态的, 以检查操作成功与否, 在健壮性要求较高的程序中, 一般都应该检查这些值

3. 流文件(二进制文件)

   1. 打开二进制文件：open(unit=11, access='stream',...)
   2. 将数组写入二进制打开的文件:write(unit=11) A
   3. 从二进制文件读数组: read(unit=11) A
   4. 说明. 传统的Fortran文件读写都是基于记录的, 不管是有格式的还是无格式的, 新标准支持二进制读写, 和C语言很类似

4. 异步IO

   1. 异步打开文件：open(unit=11, asynchronous='yes',...)
   2. 异步写：write(unit=11, id=handle, asynchronous='yes',....) ....
   3. 异步读：read(unit=11, id=handle, asynchronous='yes',....) .....
   4. 等待异步IO完成：wait(unit=11, id=handle)
   5. 说明: 如果文件中有大块数据的IO操作, 用异步IO能在一定程度上使计算和磁盘IO重叠进行, 提高效率！

5. 第三方库

   1. MPI-IO：MPI-IO提供一套类似C语言的IO函数, 如果在MPI_File_open()中指定comm是MPI_COMM_SELF, 就相当于操作本地文件.
   2. HDF5：
   3. NetCDF、PnetCDF：
   4. 说明: HDF5、NetCDF、PnetCDF都提供结构化的存储模式, 而且都提供并行IO操作接口.

浮点数运算(提纲)

1. 浮点运算异常

   1. 除零
   2. 向下溢出
   3. 向上溢出
   4. 捕获浮点运算异常
   5. 查询浮点数信息:Fortran内置函数
   6. IEEE浮点数标准
   7. IEEE浮点数异常控制
   8. IEEE_FEATURES
   9. IEEE_EXCEPTIONS
   10. IEEE_ARITHMETIC

2. 浮点数运算

   1. 不满足结合律, 运算次序非常重要：(A+B)+C .NEQ. A+(B+C)
   2. 舍入误差
   3. 差不多的两数相减
   4. 避免进行等于比较: A .EQ. B 5.数组求和：使用内置函数SUM
   5. HYPOT计算： SQRT(X2+Y2)
   6. 二次方程求根
   7. 三角形面积:海伦公式
   8. 对数函数：Ln(1+X)
   9. X2-Y2
   10. 级数求和
   11. 特殊情况特殊对待
   12. 使用扩展精度
   13. 带符号零
   14. 浮点运算的Guard Bits
   15. 相对误差
   16. 绝对误差
   17. 特殊数： -NaN, +NaN, -Infinity, +Infinity
   18. 极大极小值： HUGE, TINY, EPSILON

参考

1. David, Goldberg, What Every Computer Scientist Should Know About Floating-Point Arithmetic
2. D.Knuth
3. IEEE 754
4. The Fortran 2003 Handbook
5. Fortran 90,95 Explained