Версия языка программирования фортран. Язык программирования fortran (фортран)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России

ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

НА ЯЗЫКЕ ФОРТРАН

Учебное пособие

Екатеринбург

Введение. 3

Историческая справка. 5

Структура программы.. 8

Отличия Фортрана 90 от Фортрана 77. 11

Доступ к вычислительным ресурсам. 15

Запуск задач на кластере. 17

Переписать тексты программ на сервер. 17

Компиляция программ. 17

Запуск программы на счет. 19

Типы данных. 22

Целая константа. 22

Вещественная константа. 23

Вещественная константа двойной точности. 23

Комплексная константа. 23

Комплексная константа двойной точности. 24

Логическая константа. 24

Текстовая константа. 24

Операторы описания типов данных. 26

INTEGER целого типа. 26

REAL и DOUBLE PRECISION вещественного типа. 27

COMPLEX и DOUBLE COMPLEX комплексного типа. 28

CHARACTER символьного типа. 29

LOGICAL логического типа. 29

DIMENSION массивов. 30

Атрибут PARAMETER.. 32

Разновидности встроенных типов данных. 35

Выражения, операции и присваивания. 36

Арифметические выражения. 36

Выражения отношения. 37

Логические выражения. 38

Правила вычисления выражений. 38

Операторы ввода/вывода. 39

Оператор ввода DATA.. 39

Оператор ввода READ.. 40

Оператор вывода WRITE. 41

Оператор вывода на экран PRINT. 42

Оператор задания формата ввода-вывода (FORMAT) 43

Спецификации X, T. 43

Спецификатор I 44

Разделители. 45

Спецификация F. 46

Повторители. 49

Спецификация E. 50

Спецификация G.. 51

Дескрипторы данных. 52

Операторы условия. 53

Логический оператор условия. 53

Арифметический оператор условия. 57

Конструкция SELECT CASE. 60

Операторы цикла. 62

Оператор цикла DO.. 62

Оператор цикла DO WHILE. 64

Оператор остановки STOP. 65

Оператор выхода из цикла EXIT. 66

Операторы перехода. 67

Оператор бузословного перехода GOTO.. 67

Вычисляемый оператор перехода GOTO.. 67

Оператор условного перехода IF … GOTO.. 68

Работа с массивами. 69

Ввод массивов. 69

Вывод массивов. 71

Обработка массивов. 73

Подпрограммы.. 76

Оператор-функция. 78

Подпрограмма-функция FUNCTION.. 81

Подпрограмма-процедура SUBROUTINE. 83

Работа с внешними файлами. 85

Оператор открытия файла OPEN.. 85

Оператор закрытия файла CLOSE. 86

Примеры работы с файлами. 86

Литература. 89

Введение

Характерная черта параллельных ЭВМ – возможность одновременного использования для обработки информации большого числа процессоров. Применение многопроцессорных вычислительных систем (МВС) ставит две задачи построения параллельных алгоритмов: распараллеливание существующих последовательных алгоритмов и создание новых алгоритмов с ориентацией на параллельные вычислительные системы.

Наиболее распространенной технологией программирования для параллельных компьютеров с распределенной памятью в настоящее время является MPI. Основным способом взаимодействия параллельных процессов в таких системах является передача сообщений друг другу. Это и отражено в названии данной технологии – Message Passing Interface (интерфейс передачи сообщений). Стандарт MPI фиксирует интерфейс, который должен соблюдаться как системой программирования на каждой вычислительной платформе, так и пользователем при создании своих программ. Коммуникационная библиотека MPI стала общепризнанным стандартом в параллельном программировании с использованием механизма передачи сообщений.

MPI-программа представляет собой набор независимых процессов, каждый из которых выполняет свою собственную программу (не обязательно одну и ту же), написанную на языке C или FORTRAN.В языке FORTRAN большинство MPI-процедур являются подпрограммами (вызываются с помощью оператора CALL), а код ошибки возвращают через дополнительный последний параметр процедуры. Несколько процедур, оформленных в виде функций, код ошибки не возвращают. Не требуется строгого соблюдения регистра символов в именах подпрограмм и именованных констант. Массивы индексируются с 1. Объекты MPI, которые в языке C являются структурами, в языке FORTRAN представляются массивами целого типа.

В ИММ программируют на Фортране. Главной сложностью в его использовании для больших задач является согласование взаимодействия частей большой задачи. Фортран 90 включает механизмы взаимодействия объектов в соответствии с технологией объектно-ориентированного программирования, которые облегчают коллективную работу над большим проектом. Это модули для оформления библиотек, структуры и производные типы данных для организации сложных данных, это динамическое распределение памяти, а также ряд механизмов обработки массивов, в том числе образование различных вырезок (сечений). Возможность объединения в одном семействе (в роду) типовых процедур обработки, отличающихся типами их аргументов, может быть полезным средством в целом ряде задач. Виды (семейства) типов данных позволяют легко настраивать реализацию типа с учетом свойств аппаратуры (например, тип INTEGER можно объявить длинным или коротким через управление видом KIND). Некоторые правила стилевого оформления могут помогать разработке, например, объявление входных, выходных и изменяемых параметров процедуры помогает отысканию ошибок взаимодействия программных единиц. Правила записи свойств данных, комментариев и других элементов облегчают чтение написанных программ, что ускоряет поиск ошибок.

Историческая справка

1954 г. – IBM , первый транслятор языка Фортран .

1958 г. – Фортран II .

1962 г. – Фортран IV .

1966 г. – Фортран 66.

1978 г. – Фортран 77 .

Модификация языка Фортран, появившиеся в 1958 году, получила название Фортран II и содержала понятие подпрограммы и общих переменных для обеспечения связи между сегментами.

К 1962 году относится появление языка, известного под именем Фортран IV . В 1966 завершена разработка американского стандарта на язык ANSI (American National Standards Institute), язык называют Fortran 66 . В 1978 году разработана вторая версия стандарта ANSI – язык Fortran 77 , включающий элементы структурного программирования, например, структурный IF, символьные типы.

Третий вариант стандарта ANSI – Fortran 90 , реализован в 1991. Fortran 90 является развитием языка Fortran 77 , так что программа, написанная на Fortran 77 , может быть скомпилирована и запущена как программа на Fortran 90 . Стандарт Fortran 90 Standard вводит много новых средств для операций над массивами, новые методы спецификации точности, свободный формат исходного кода, рекурсию, динамические массивы и т. д.

Программы на текущем языке стандарта Fortran 77 могут успешно компилироваться компиляторами Fortran 90 без каких-либо изменений. Тем не менее, структура программы на языке Fortran 90 может значительно отличаться от структуры эквивалентной программы на Fortran 77 . Программист должен остерегаться смешения двух стилей.

В такой же мере компилятор с Fortran 90 требует обеспечения объяснений для сообщений о некоторых кодах несоответствия (несогласования), то есть использование операторов или переменных, которые разрешены сверх множества правил, выходящих за пределы стандарта.

Фортран занимает почетное место среди современных языков программирования. Это один из первых языков программирования высокого уровня и с самого своего рождения он предназначался для решения сложных вычислительных задач. В среде прикладных программистов Фортран сначала был встречен скептически, поскольку считалось, что заплатить за удобство программирования на языке высокого уровня придется значительной потерей скорости вычислений. Если речь идет о моделировании сложных процессов или обработке больших объемов информации, скорость вычислений является решающим фактором, определяющим выбор языка, вычислительной платформы и технологии программирования.

gfortran

gfortran 4.5.0

Язык программирования

Фортран (Fortran) - первый реализованный язык программирования высокого уровня (после ), правда, с одной небольшой оговоркой - для машин, построенных по классической схеме фон Неймана. Создан в период с 1954 по 1957 год группой программистов под руководством Джона Бэкуса (John Backus) в корпорации IBM. Через пару лет начались его коммерческие поставки. До этого программирование велось либо непосредственно в машинных кодах, либо на символических ассемблерах. Название Fortran является аббревиатурой от FORmula TRANslator, то есть, переводчик формул.

Фортран широко используется в первую очередь для научных и инженерных вычислений. Одно из преимуществ современного Фортрана - большое количество написанных на нём программ и библиотек подпрограмм. Среди учёных, например, ходит такая присказка, что любая математическая задача уже имеет решение на Фортране, и, действительно, можно найти среди тысяч фортрановских пакетов и пакет для перемножения матриц, и пакет для решения сложных интегральных уравнений и многие, многие другие. Ряд таких пакетов создавались на протяжении десятилетий и популярны по сей день (главным образом в научной среде).

Большинство таких библиотек является фактически достоянием человечества: они доступны в исходных кодах, хорошо документированы, отлажены и весьма эффективны. Поэтому изменять, а тем более переписывать их на других языках программирования накладно, несмотря на то, что регулярно производятся попытки автоматического конвертирования FORTRAN-кода на современные языки программирования.

Своего рода «визитной карточкой» старого Fortran является огромное количество меток, которые использовались как в операторах безусловного перехода GOTO , так и в операторах циклов, и в операторах описания форматного ввода/вывода FORMAT . Большое количества меток и операторов GOTO часто делало программы на Фортране трудными для понимания.

Именно этот негативный опыт стал причиной, по которой в ряде современных языков программирования (например, Java) метки и связанные с ними операторы безусловного перехода вообще отсутствуют.

Однако современный Fortran избавлен от избытка меток за счет введения таких операторов, как DO … END DO, DO WHILE, SELECT CASE. Также к положительным чертам современного Fortran стоит отнести большое количество встроенных операций с массивами и гибкую поддержку массивов с необычной индексацией.

Взаимодействие с другими языками

Многие системы программирования позволяют компоновать полученные в результате трансляции программы на Fortran объектные файлы с объектными файлами, полученными от компиляторов с других языков, что позволяет создавать более гибкие и многофункциональные приложения. Для языка Фортран также доступно большое количество библиотек, содержащих как подпрограммы решения классических вычислительных задач (LAPACK, IMSL, BLAS), задач организации распределенных вычислений (MPI, pvm), так и задач построения графических интерфейсов (Quickwin, FORTRAN/TK) или доступа к СУБД (Oracle).

Наследие Fortran

Fortran использовался более пятидесяти лет и существует огромная часть принадлежащая ему и по сей день. Fortran - основной язык для некоторых задач требующих огромных вычислений, таких как моделирование погоды и климата, гидрогазодинамика, вычислительная химия, квантовая хромодинамика, моделирование динамики солнечной системы, вычисление орбит искусственных спутников и многие другие задачи.

Переносимость

Поначалу переносимость для Fortran была весьма насущной проблемой, потому что не существовало ни одного единого стандарта и даже справочной информации от IBM. И компьютерные фирмы соперничали между собой, обеспечивая несовместимость для разных компиляторов. Исправило дело появление стандартов. Стандарт 1966 года устанавливал синтаксис и семантику, но продавцы продолжали внедрять несовместимые расширения. Осмотрительные программисты понимали, что использование несовместимых расширений вызовет проблемы переносимости и зачастую использовали программы наподобие «The PFORT Verifier» для выявления несовместимых расширений.

Несовместимые расширения были не единственной проблемой. Существовал ряд проблем с численными вычислениями. Позже была развита и внедрена практически универсальная идея двоичной арифметики с плавающей запятой.

Доступ к исполняемой среде (например, к командной строке, переменным среды) был весьма затруднителен, пока на это не обратили на это внимание в стандарте 2003 года.

Сейчас относительно просто реализовать полностью переносимую программу на Fortran.

Элементы синтаксиса:

Комментарий до конца строки	! или * в первом символе строки
Регистрозависимость	Нет
Регулярное выражение идентификатора переменной	[_a-zA-Z0-9]{0-n}
Присваивание значения переменной	=
Объявление переменной	type:: variable
Объявление переменной с присваиванием значения	type:: variable = value
Группировка выражений	()
Блок	do ... end do
Равенство	= или.EQ.
Неравенство	/= или.NE.
Сравнение	== < > <= >= <> или.LT. .GT. .LE. .GE.
Вызов функции	CALL f(a,b...)
Вызов функции без параметров	CALL f
Последовательность	конец строки
Если - то	if condition then ... end if
Если - то - иначе	if condition then ... else ... endif
Цикл с постусловием	DO ... WHILE (condition)
Цикл for - next для диапазона целых чисел с инкрементом на 1	do label i = 1, 10
Цикл for - next для диапазона целых чисел с декрементом на 1	do label i = 10, 1, -1

Примеры:

Hello, World!:

Пример для версий Intel Visual Fortran 11.1 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Этот пример написан в свободном формате, поддерживаемом Fortran 90 и последующими стандартами, а также диалектом .

Fortran 90-style comment program HelloWorld print * , "Hello, World!" end program HelloWorld

Факториал:

Пример для версий Intel Visual Fortran 11.1 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Используется итеративное определение факториала и свободный формат программы. Спецификации формата I и A используются для вывода чисел в десятичном формате и строк, соответственно. При вычислении факториалов 13-16 возникает арифметическое переполнение, не вызывающее ошибку, поэтому выводятся неправильные значения:

13! = 1932053504
14! = 1278945280
15! = 2004310016
16! = 2004189184

program Factorial integer :: f , n f = 1 n = 0 do print "(I2, A, I10)" , n , "! = " , f n = n + 1 f = f * n if (n == 17 ) then exit end if end do end program Factorial

Числа Фибоначчи:

Пример для версий Intel Visual Fortran 11.1 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Используется итеративное определение чисел Фибоначчи. Самое сложное в этом примере — вывод вычисленных значений в нужном формате, в одну строку и без лишних пробелов. Спецификация формата (I3, A, $) означает, что вначале выводится целое число в десятичном формате, шириной ровно три символа, затем выводится строка, и наконец, $ подавляет перевод строки, используемый командой print по умолчанию, так что все выводится в одну строку. Отметим, что в диалекте спецификатор формата $ не является стандартным; программа работает, но при компиляции выводит предупреждение об этом.

program Fibonacci integer :: f1 , f2 , f3 , i i = 1 f1 = 0 f2 = 1 do f3 = f2 + f1 f1 = f2 f2 = f3 i = i + 1 if (f1 < 10 ) then print "(I1, A, $)" , f1 , ", " elseif (f1 < 100 ) then print "(I2, A, $)" , f1 , ", " else print "(I3, A, $)" , f1 , ", " end if if (i == 17 ) then exit end if end do print * , "..." end program Fibonacci

Квадратное уравнение:

Пример для версий g95 0.93 , gfortran 4.5.0

В примере используется встроенный тип данных complex . // — оператор конкатенации строк. Число перед скобками в описании формата означает количество раз, которые повторяется формат в скобках (в данном случае дважды — для первого и второго корней).

program Quadratic integer :: a , b , c real :: d , p1 , p2 complex :: cp2 read (* , * ), a if (a == 0 ) then write (* , * ) "Not a quadratic equation" stop end if read (* , * ) b read (* , * ) c d = b * b - 4 * a * c p1 = - b / 2.0 / a if (abs (d ) < 1.0e-9 ) then write (* , "(A, F8.3)" ) "x = " , p1 elseif (d > 0 ) then p2 = sqrt (d ) / 2.0 / a write (* , "(2(A, F8.3))" ) "x1 = " , p1 + p2 , char (13 ) // char (10 ) // "x2 = " , p1 - p2 else cp2 = sqrt (cmplx (d )) / 2.0 / a write (* , "(2(A, F8.3, F8.3), A)" ) "x1 = (" , p1 + cp2 , ")" // char (13 ) // char (10 ) // "x2 = (" , p1 - cp2 , ")" end if end

Hello, World!:

Пример для версий f2c 20090411 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

FORTRAN 77); первые шесть символов каждой строки зарезервированы под служебную информацию — отметки о том, что строка является комментарием или продолжением предыдущей, метки и номера строк. Стандартный набор символов Fortran не содержит символов нижнего регистра, поэтому все программы пишутся в верхнем регистре. Исключением из этого правила являются символьные константы — они могут содержать любые символы, которые поддерживаются системой.

Первая строка дает этому фрагменту кода имя HELLO и указывает на то, что он является основной программой. Имя программы подчиняется тем же правилам, что и любые имена идентификаторов, т.е. должно начинаться с буквы и содержать не более 6 символов.

Команда WRITE реализует вывод на печать. В скобках передается список управляющих параметров, настраивающих вывод: UNIT выбирает файл вывода (по умолчанию — консоль), FMT — формат вывода. Звездочки означают параметры по умолчанию. Имена параметров передавать не обязательно, сокращенно эта же команда выглядела бы как WRITE (*, *) ... .

В большинстве реализаций строковая константа может заключаться как в одинарные кавычки, так и в двойные.

A simple Hello, World! program PROGRAM HELLO WRITE (UNIT =* , FMT =* ) "Hello, World!" END

Факториал:

Пример для версий f2c 20090411 , g95 0.93 , gfortran 4.5.0

Этот пример написан в фиксированном формате (стиль FORTRAN 77) и использует итеративное вычисление факториала.

Fortran позволяет пропускать объявления переменных; в таком случае он выводит их типы сам, но, в отличие от более поздних языков, не по контексту использования переменной, а по ее имени — если первая буква названия I..N, выбирается тип INTEGER , иначе — REAL . В данном случае обе переменные целые.

Цикл DO в данном случае соответствует циклу FOR более поздних языков: счетчик цикла N последовательно пробегает все значения от 0 до 16. Тело цикла заканчивается на строке с меткой 1 , которая указана в заголовке цикла.

Команда PRINT использует формат вывода по умолчанию, который варьируется в зависимости от используемого компилятора.

PROGRAM) C . Из-за этого после посимвольного заполнения строки CC , содержащей результат, остаток строки приходится заполнять пробелами вручную.

Проверка того, что очередной символ исходной строки является буквой, слишком длинна, чтобы поместиться в одну строку (все символы строки программы, начиная с 73-ей позиции, игнорируются), поэтому ее приходится разбивать на две строки и отмечать вторую как продолжение первой (любым символом в 6 позиции).

Операторы сравнения в FORTRAN 77 записываются как.LE. , .GE. и т.д. из-за того, что символы > и < не входят в набор символов языка; они были добавлены только в Fortran 90.

PROGRAM CAMELC CHARACTER TEXT * 30 , CC * 30 LOGICAL LSPACE READ (* , "(A)" ) TEXT NCC = 0 LSPACE = .TRUE. DO 1 , I = 1 , LEN (TEXT ) NC = ICHAR (TEXT (I : I )) IF (NC .GE. 65 .AND. NC .LE. 90 .OR. > NC .GE. 97 .AND. NC .LE. 122 ) THEN IF (LSPACE ) THEN IF (NC .GE. 97 .AND. NC .LE. 122 ) THEN NC = NC - 32 END IF ELSE IF (NC .GE. 65 .AND. NC .LE. 90 ) THEN NC = NC + 32 END IF END IF NCC = NCC + 1 CC (NCC : NCC ) = CHAR (NC ) LSPACE = .FALSE. ELSE LSPACE = .TRUE. END IF 1 CONTINUE DO 2 , I = NCC + 1 , LEN (CC ) 2 CC (I : I ) = " " WRITE (* , * ) CC END

Впервые я услышал о Фортране в раннем детстве от отца. Он рассказывал, что в 70-х годах ему приходилось часами выстаивать очереди к едва ли не единственной ЭВМ в ВУЗе, дабы используя перфокарту запустить примитивный код. Признаюсь честно, с тех пор и до недавнего времени (несмотря на полученное техническое образование) я пребывал в полной уверенности, что Фортран остался где-то далеко там, в мире, где носителями информации выступают странные картонки с дырками, а компьютеры стоят так дорого, что воспринимаются, как настоящий аттракцион.

Каково же было моё удивление, когда я узнал, что Фортран не просто ещё где-то используется, он развивается, востребован и по-прежнему актуален. Если вы также до этого момента полагали, что Фортран давно носит статус мертвеца, то вот вам несколько интересных фактов, почему он ещё ходит.

Пережил минимум 10 обновлений

В действительности, тот Фортран о котором вы слышите от преподавателей в школе или университете был создан в период с 1954 по 1957 года. Он вошёл в историю, как первый полностью реализованный язык высокого уровня, совершил маленький прорыв в IT-мире, но по сути был не слишком удобен и функционален. “Допиливать” его в IBM принялись практически сразу, уже в 1958 году появился FORTRAN II и параллельно FORTRAN III. Но более-менее приличный вид он приобрёл лишь в 70-х, когда появились достаточно портативные машины, когда был разработан полноценный стандарт IBM FORTRAN IV, и появился FORTRAN 66 с циклами, метками, условными операторами, командами ввода/вывода и прочими по современным меркам примитивными возможностями.

Последняя версия появилась в 2010 году, её название Fortran 2008 (как видите, в ходе истории, название перестало писаться исключительно заглавными буквами), отличительной чертой которой являются всевозможные параллельные вычисления, положительно сказывающиеся, как на скорости обработки данных, так и на размерности обрабатываемых массивов. Кроме того, на 2018 год запланирован выход Fortran 2015. Из анонса следует, что в нём будет улучшена интеграция с С, а также устранены текущие недоработки.

Входит в 30 самых популярных языков программирования

На сегодняшний день 0,743% запросов в поисковых системах относительно языков программирования посвящену именно Фортрану. Чтобы вы поняли, насколько это круто, просто представьте, что такие языки, как Lisp, Scala, Clojure, LabVIEW, Haskell, Rust и VHDL, находятся в рейтинге ниже.

Может работать на Android (и не только)

Компиляторы для Фортана за его долгую историю разрабатывались такими компаниями, как IBM, Microsoft, Compaq, HP, Oracle, благодаря чему сегодня язык совместим с Windows, Mac OS и Linux. Более того, удобное приложение с компилятором теперь можно взять с собой, благодаря приложению CCTools для Android. Можно запустить компилятор и на вашем iPhone, но в этом случае немного поколдовать.

Конкурирует с MATLAB

Пока в этом тексте не было сказано главного, а именно области применения Фортрана. Так вот это язык, востребованный в науке и инженерии, полностью или частично применяемый для прогноза погоды, океанографии, молекулярной динамики, сейсмологического анализа. В общем, это самый настоящий “Data Science”-язык родом из времени, когда в массовую продажу впервые поступил калькулятор.

При этом стоит признать, что частично своей популярностью Фортран обязан наследию. За долгие годы практически без конкуренции язык оброс огромной базой клиентов, библиотек и надстроек. Кроме того, каждая следующая версия Фортрана неизбежно поддерживает предыдущие. Поэтому сложилась ситуация, когда отсутствуют какие-либо существенные факторы, для того, чтобы учёные и инженеры вынуждены были отказаться от этого союза.

По сути, главным конкурентом Фортрана на сегодняшний день является MATLAB, который более универсален, более функционален и удобен. Однако MATLAB при этом имеет строгие ограничения по используемому ПО, достаточно дорого стоит и в большинстве случаев просто излишен.

Имеет относительно безоблачное будущее

Безусловно, мы не можем предсказать, что будет через 10-20 лет, и как за это время изменится IT-мир. Однако, если посмотреть на возможных новых конкурентов для Фортрана (таких, как Go), их главный недостаток - универсализация. То есть создатели Fortran очень быстро наметили целевую аудиторию в виде учёных, их мнение и пожелания имеют приоритетное значение. Поэтому трудно представить, что завтра они откажутся от своего “спецзаказа” ради какой-то модной тенденции. Именно на основании этого можно утверждать, что ещё одно поколение Фортран отходит смело.

А потом они просто выпустят новую версию.

История создания языка программирования Фортран. Существующие стандарты. Версия языка программирования Фортран.

Программы для первых ЭВМ программисты писали на языках машинных команд. Это очень трудоемкий и длительный процесс. Проходило значительное время между началом составления программы и началом ее использования. Решить эту проблему можно было лишь путем создания средств автоматизации программирования.
Первыми "инструментами", которые экономили труд программистов, стали подпрограммы. В августе 1944 года для релейной машины "Марк-I" под руководством Грейс Хоппер (женщина-программист, морской офицер ВМФ США) была написана первая подпрограмма для вычисления sinx.
Не одну Грейс Хоппер волновала проблема облегчения труда программистов. В 1949 году Джон Моучли (один из создателей ЭВМ ENIAC) разработал систему SHORT Code, которую можно считать предшественницей языков программирования высокого уровня. Программист записывал решаемую задачу в виде математических формул, преобразовывал формулы в двухбуквенные коды. В дальнейшем специальная программа переводила эти коды в двоичный машинный код. Таким образом, Дж. Моучли разработал один из первых примитивных интерпретаторов. А в 1951 году Г. Хоппер создала первый компилятор А-0. Ею же впервые был введен этот термин.

Первые языки высокого уровня: Кобол и Фортран
В 50-е годы прошлого века группа под руководством Г. Хоппер приступила к разработке нового языка и компилятора В-0. Новый язык позволил бы программировать на языке, близком к обычному английскому. Разработчики языка выбрали около 30 английских слов, для распознавания которых Г. Хоппер придумала способ, сохранившийся в операторах будущих языков программирования: каждое слово содержит неповторимую комбинацию из первой и третьей букв. Благодаря этому компилятор при создании машинного кода программы может игнорировать все остальные буквы в слове.
Необходимость появления такой системы, язык которой приближен к разговорному, Г. Хоппер связывала с тем, что область применения ЭВМ будут расширяться, в связи с чем будет расти и круг пользователей. По словам Г. Хоппер, следует оставить попытки "превратить их всех в математиков ".
В 1958 году система В-0 получила название FLOW-MATIC и была ориентирована на обработку коммерческих данных. В 1959 году был разработан язык COBOL (Common Business Oriented Language) (Кобол) машинно независимый язык программирования высокого уровня для соответствующим транслятором с этого языка. Консультантом при создании языка COBOL вновь выступила Г. Хоппер.
В 1954 году публикуется сообщение о создании языка FORTRAN (FORmula TRANslation) (Фортран). Местом рождения языка стала штаб-квартира фирмы IBM в Нью-Йорке. Одним из главных разработчиков является

Джон Бэкус. Он же стал автором НФБ (нормальная форма Бэкуса), которая используется для описания синтаксиса многих языков программирования. В тот же период в европейских странах и в СССР популярным становится язык ALGOL. Как и FORTRAN, он ориентировался на математические задачи. В нем была реализована передовая для того времени технология программирования структурное программирование.

Фортран в СССР.

Фортран в СССР появился позже, чем на Западе, поскольку поначалу у нас более перспективным языком считался Алгол. Во внедрении Фортрана большую роль сыграло общение советских физиков со своими коллегами из CERN, где в 1960-х годах почти все расчёты велись с использованием программ на Фортране.

Первый советский компилятор с Фортрана был создан в 1967 г. для машины «Минск-2», однако он не получил большой известности. Широкое внедрение Фортрана началось после создания в 1968 г. компилятора ФОРТРАН-ДУБНА для машины БЭСМ-6. Машины ЕС ЭВМ, появившиеся в 1972 г., уже изначально имели транслятор Фортрана («позаимствованный» с IBM/360 вместе с другим программным обеспечением).

Стандарты

Язык подвергался стандартизации в рамках ANSI и ISO

Были разработаны стандарты - Фортран 66, Фортран 77, Фортран 90, Фортран 95, Фортран 2003 и Фортран 2008.

Стандартизация языков программирования создает предпосылки для повышения мобильности программного обеспечения для компьютеров любой архитектуры. Стандартизация Фортрана является одной из причин долгожительства языка, так как именно благодаря стандартизации обеспечена возможность использования огромного фонда прикладных программ, которые созданы за десятилетия существования языка.

Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Существует несколько международных стандартов языка:

FORTRAN IV (позже положенный в основу FORTRAN 66 (1966);

FORTRAN 77 (1978) множество улучшений: строковый тип данных и функции для его обработки, блочные операторы IF, ELSE IF, ELSE, END IF, оператор включения фрагмента программы INCLUDE и т. д.

Fortran 90 (1991) значительно переработан стандарт языка. Введён свободный формат написания кода. Появились дополнительные описания IMPLICIT NONE, TYPE, ALLOCATABLE, POINTER, TARGET, NAMELIST; управляющие конструкции DO … END DO, DO WHILE,CYCLE , SELECT CASE, WHERE; работа с динамической памятью (ALLOCATE, DEALLOCATE, NULLIFY); программные компоненты MODULE, PRIVATE, PUBLIC, CONTAINS, INTERFACE, USE, INTENT. Появились новые встроенные функции, в первую очередь, для работы с массивамив языке появились элементы ООП

Fortran 95 (1997) - коррекция предыдущего стандарта Fortran 2003 (2004)дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой Введён оператор и конструкция FORALL, позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности, обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания.

Fortran 2003 (2004) Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие возможности: 1. Асинхронный ввод-вывод данных 2. Средства взаимодействия с языком. 3. Усовершенствование динамического размещения данных. Fortran 2008 (2010) Стандартом предполагается поддержка средствами языка параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran). Также предполагается увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные специальные математические функции и др.

Версия языка программирования Фортран

Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает активно использоваться. Имеется стандартная версия Фортрана WF(High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров с множеством процессоров.

Cobol (Кобол). Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес задач, разработанный в начале 60-х годов. Он отличается большой «многословностью» - его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сегодня.

Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был призван заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В 1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.

Pascal (Паскаль). Язык Паскаль, созданный в конце 70-х годов основоположником множества идей современного программирования Никлаусом Виртом, во многом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании крупных проектов.

Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы, а по популярности он занимает первое место в мире. Он создавался в 60-х годах в качестве учебного языка и очень прост в изучении. Это один из перспективных языков программирования.

С (Си). Данный язык был создан в лаборатории Bell и первоначально не рассматривался как массовый. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффективные и компактные программы, и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора. На этом языке в 70-е годы написано множество прикладных и системных программ и ряд известных операционных систем (Unix).

Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей. Но главная особенность этого языка - компиляция не в машинный код, а в платформно независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора - виртуальной Java-машины (Java Virtual Machine), версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию множества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода, поэтому по популярности язык Ява сегодня занимает второе место в мире после Бейсика.

В последнее время получили распространение системы программирования, ориентированные на создание Windows-приложений :

· пакет Borland Delphi (Дельфи) - блестящий наследник семейства компиляторов Borland Pascal, предоставляющий качественные и очень удобные средства визуальной разработки. Его исключительно быстрый компилятор позволяет эффективно и быстро решать практически любые задачи прикладного программирования.

· пакет Microsoft Visual Basic - удобный и популярный инструмент для создания Windows-программ с использованием визуальных средств. Содержит инструментарий для создания диаграмм и презентаций .

· пакет Borland C++ - одно из самых распространённых средств для разработки DOS и Windows приложений.

Среди учёных, например, ходит такая присказка, что любая математическая задача уже имеет решение на Фортране, и, действительно, можно найти среди тысяч фортрановских пакетов и пакет для перемножения матриц , и пакет для решения сложных интегральных уравнений , и многие, многие другие. Ряд таких пакетов создавался на протяжении десятилетий и популярен в научной среде по сей день, например - IMSL (англ. ).

Современный Фортран (Fortran 95 и Fortran 2003) приобрёл черты, необходимые для эффективного программирования для новых вычислительных архитектур, позволяет применять современные технологии программирования, в частности, ООП .

Эволюция стандартов языка

Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Новые стандарты языка в значительной мере сохраняют преемственность с более старыми, что позволяет использовать коды ранее написанных программ и их модифицировать .

FORTRAN 66 (1972) На базе стандарта фирмы IBM FORTRAN IV FORTRAN 77 (1980) Введено множество улучшений: Fortran 90 (1991) Значительно переработан стандарт языка. Fortran 95 (1997) Коррекция предыдущего стандарта. Введён оператор и конструкция FORALL, позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности, обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания . Fortran 2003 (2004) Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие возможности: Fortran 2008 (2010) Стандартом предполагается поддержка средствами языка параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran) . Также предполагается увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные специальные математические функции и др.

Компиляторы

С момента первоначальной разработки языка, компиляторы Фортрана производит фирма IBM. В настоящее время фирмой IBM поставляется оптимизирующий компилятор VS Fortran для мэйнфреймов IBM System z , история развития различных версий которого восходит ещё к 1964 году , а также компилятор XL Fortran для платформ на базе архитектуры PowerPC - AIX , Linux и суперкомпьютера Blue Gene (выпускалась также версия для Mac OS X , когда компьютеры Macintosh использовали процессоры PowerPC). Оба этих компилятора содержат очень сложные оптимизаторы, являющиеся результатом непрерывной научной работы специалистов IBM на протяжении полувека. На базе компилятора IBM Fortran XL фирмой Absoft, бизнес-партнёром IBM, создан и поставляется компилятор Absoft Pro Fortran для систем на базе процессоров PowerPC (Linux, Mac OS X) и Intel (Linux, Mac OS X, Windows) .

Фонд свободного программного обеспечения GNU выпускал открытый компилятор Фортрана-77 g77, доступный практически для любой платформы и полностью совместимый с GCC . Сейчас ему на смену пришел компилятор GFortran , в котором реализованы практически все конструкции стандарта Фортран-95 и многие конструкции стандартов Фортран-2003 и Фортран-2008. Он также полностью обратно совместим с Фортран-77. Также существует независимый проект g95 по созданию на основе GCC компилятора Фортран-95.

Возможности и структура программы

Фортран имеет достаточно большой набор встроенных математических функций, поддерживает работу с целыми, вещественными и комплексными числами высокой точности. Выразительные средства языка изначально были весьма бедны, поскольку Фортран был одним из первых языков высокого уровня. В дальнейшем в Фортран были добавлены многие лексические конструкции, характерные для структурного, функционального и даже объектно-ориентированного программирования.

Перфокарта с разметкой колонок для Фортрана.

Структура программ изначально была ориентирована на ввод с перфокарт и имела ряд удобных именно для этого случая свойств. Так, 1-я колонка служила для маркировки текста как комментария (символом C ), с 1-й по 5-ю располагалась область меток, а с 7-й по 72-ю располагался собственно текст оператора или комментария. Колонки с 73-й по 80-ю могли служить для нумерации карт (чтобы восстановить случайно рассыпавшуюся колоду) или для краткого комментария, транслятором они игнорировались. Если текст оператора не вписывался в отведённое пространство (с 7-й по 72-ю колонку), в 6-ой колонке следующей карты ставился признак продолжения, и затем оператор продолжался на ней. Расположить два или более оператора в одной строке (карте) было нельзя. Когда перфокарты ушли в историю, эти достоинства превратились в серьёзные неудобства.

Именно поэтому в стандарт Фортрана, начиная с Fortran 90, в добавление к фиксированному формату исходного текста появился свободный формат, который не регламентирует позиции строки, а также позволяет записывать более одного оператора на строку. Введение свободного формата позволило создавать код, читаемость и ясность которого не уступает коду, созданному при помощи других современных языков программирования, таких как или Java .

Своего рода «визитной карточкой» старого Фортрана является огромное количество меток, которые использовались как в операторах безусловного перехода GOTO , так и в операторах циклов, и в операторах описания форматного ввода/вывода FORMAT. Большое количество меток и операторов GOTO часто делало программы на Фортране трудными для понимания.

Именно этот негативный опыт стал причиной, по которой в ряде современных языков программирования (например, Java) метки и связанные с ними операторы безусловного перехода сильно видоизменены.

Однако современный Фортран избавлен от избытка меток за счёт введения таких операторов, как DO … END DO, DO WHILE, SELECT CASE. Более того, в современных стандартах языка оставлен лишь классический оператор GOTO, применяемый во многих языках и поныне. Вычисляемый оператор GOTO, а также конструкция ENTRY - множественного входа в процедуры, были исключены.

Также к положительным чертам современного Фортрана стоит отнести большое количество встроенных операций с массивами и гибкую поддержку массивов с необычной индексацией. Пример:

Real ,dimension (: ,: ) :: V ... allocate (V(- 2 : 2 ,0 : 10 ) ) ! Выделить память под массив, индексы которого могут ! меняться в пределах от -2 до 2 (первый индекс) ! и от 0 до 10 - второй ... V (2 ,2 : 3 ) = V(- 1 : 0 ,1 ) ! Повернуть кусочек массива write(* ,* ) V(1 ,: ) ! Напечатать все элементы массива V, первый индекс которых равен 1. deallocate (V)

Hello, World!

Фиксированный формат (символами «␣» выделены пробелы в позициях строки с 1 по 6):

␣␣␣␣␣␣PROGRAM hello ␣␣␣␣␣␣PRINT* , "Hello, World!" ␣␣␣␣␣␣END

Свободный формат:

Program hello print * , "Hello, World!" end

Замечания.

Оператор PROGRAM не является обязательным. Строго говоря, единственный обязательный оператор Фортран-программы - оператор END .
Выбор прописных или строчных букв для написания операторов программы произволен. С точки зрения современных стандартов языка Фортран, множество прописных букв и множество строчных букв при написании операторов языка совпадают.

Взаимодействие с другими языками

Многие системы программирования позволяют компоновать полученные в результате трансляции фортрановской программы объектные файлы с объектными файлами, полученными от компиляторов с других языков, что позволяет создавать более гибкие и многофункциональные приложения. Для языка Фортран также доступно большое количество библиотек, содержащих как подпрограммы решения классических вычислительных задач (LAPACK , IMSL, BLAS), задач организации распределённых вычислений (MPI , pvm), так и задач построения графических интерфейсов (Quickwin , FORTRAN/TK) или доступа к СУБД (Oracle).

Фортран в СССР

Примечания

См., например: Netlib Repository at UTK and ORNL
А. М. Горелик . Эволюция языка программирования Фортран (1957-2007) и перспективы его развития//Вычислительные методы и программирование, 2008, Т. 9, с. 53-71
Бартеньев О.В. Современный Фортран . - М .: Диалог МИФИ, 2005. - ISBN 5-86404-113-0
А. М. Горелик. объектно-ориентированное программирвание на современном Фортране
С. Д. Алгазин, В. В. Кондратьев. Программирование на Visual Fortran. - М .: «Диалог МИФИ », 2008. - 448 с. - ISBN 5-8243-0759-8
Горелик А. М.Новости
VS FORTRAN
XL Fortran for Linux
Absoft Pro Fortran Compiler Suites General Overview
Sun Studio - Benchmarks
Очерк Александра Расторгуева о появлении Фортрана в Дубне
История компьютерной графики в России

Литература

Fortran. Programmer"s Reference Manual. The Fortran Automatic Coding System for the IBM 704 EDPM . - IBM Corp., 1956. - 51 с.
ISO/IEC 1539-2:2000 Information technology - Programming languages - Fortran - Part 2: Varying length character strings
Роберт У. Себеста. 2.3. Компьютер IBM 704 и язык Фортран // Основные концепции языков программирования = Concepts of Programming Languages / Пер. с англ. - 5-е изд. - М .: Вильямс, 2001. - С. 63-69. - 672 с. - 5000 экз. - ISBN 5-8459-0192-8 (рус.), ISBN 0-201-75295-6 (англ.)