Fortran语言基础教程笔记

news2024/10/2 14:18:29

Fortran语言基础教程笔记

下面是一个全面的 Fortran 语言入门教程，适合初学者和有一定编程经验的人士。Fortran（Formula Translation）是一种主要用于科学计算、工程分析和数值模拟的高级编程语言。它最初由 IBM 在 1950 年代开发，至今仍在许多高性能计算领域中广泛使用。

Fortran 简介

Fortran 的主要特点包括：

高效性：特别适合处理大量数据和进行数值计算。
标准化：有多个版本的标准，最新的标准是 Fortran 2018。
现代特性：支持面向对象编程、模块化编程等现代编程特性。
可移植性：编写的代码可以在多种平台上运行。

安装 Fortran 编译器

在 Windows 上安装

下载并安装 gfortran：
- 访问 GFortran for Windows 下载适用于 Windows 的 gfortran 编译器。
- 按照说明进行安装。
验证安装：
- 打开命令提示符，输入以下命令：
```
gfortran --version
```
- 你应该能看到类似 GNU Fortran (GCC) 10.2.0 的版本号。

在 macOS 上安装

使用 Homebrew 安装 gfortran：
- 如果你还没有安装 Homebrew，可以通过以下命令安装：
```
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
```
- 安装 gfortran：
```
brew install gcc
```
验证安装：
- 打开终端，输入以下命令：
```
gfortran --version
```
- 你应该能看到类似 GNU Fortran (GCC) 10.2.0 的版本号。

在 Linux 上安装

使用包管理器安装 gfortran：

对于 Ubuntu/Debian：

sudo apt-get update
sudo apt-get install gfortran

对于 CentOS/RHEL：
```
sudo yum install gcc-gfortran
```

验证安装：
- 打开终端，输入以下命令：
```
gfortran --version
```
- 你应该能看到类似 GNU Fortran (GCC) 10.2.0 的版本号。

第一个 Fortran 程序

让我们从一个简单的“Hello, World!”程序开始。

创建文件：
- 使用你喜欢的文本编辑器创建一个名为 hello.f90 的文件，并在其中输入以下内容：
```
program hello
    print *, "Hello, World!"
end program hello
```
编译和运行程序：
- 打开终端或命令提示符，导航到包含 hello.f90 文件的目录，然后运行以下命令：
```
gfortran -o hello hello.f90
./hello
```
- 你应该会看到输出 Hello, World!。

基本语法

注释

单行注释使用 ! 符号。
多行注释可以使用 C 或 * 开头的行。

! 这是单行注释
C 这也是单行注释
* 这还是单行注释

变量

变量名区分大小写。
需要声明变量类型。

integer :: i
real :: x
character(len=10) :: name
logical :: is_valid

数据类型

基本类型：integer, real, double precision, complex, character, logical 等。
派生类型：用户自定义类型。

type person
    character(len=20) :: name
    integer :: age
end type person

type(person) :: alice
alice%name = 'Alice'
alice%age = 30

字符串

使用 character 类型定义字符串。
支持字符串操作函数。

character(len=20) :: greeting
greeting = 'Hello, World!'
print *, greeting

控制结构

条件语句

if 语句

program if_example
    implicit none
    integer :: x
    x = 10

    if (x > 0) then
        print *, 'x is positive'
    elseif (x < 0) then
        print *, 'x is negative'
    else
        print *, 'x is zero'
    endif
end program if_example

select case 语句

program select_case_example
    implicit none
    integer :: day
    day = 1

    select case (day)
    case (1)
        print *, 'It is Monday'
    case (2)
        print *, 'It is Tuesday'
    case default
        print *, 'It is another day'
    end select
end program select_case_example

循环

do 循环

program do_loop_example
    implicit none
    integer :: i

    do i = 1, 5
        print *, i
    end do
end program do_loop_example

while 循环（通过 do while 实现）

program while_loop_example
    implicit none
    integer :: i
    i = 1

    do while (i <= 5)
        print *, i
        i = i + 1
    end do
end program while_loop_example

函数和子程序

定义函数

使用 function 关键字定义函数。

module math_module
    contains
    function add(a, b) result(sum)
        implicit none
        integer, intent(in) :: a, b
        integer :: sum
        sum = a + b
    end function add
end module math_module

调用函数

在主程序中调用函数。

program main
    use math_module
    implicit none
    integer :: result
    result = add(3, 4)
    print *, result
end program main

定义子程序

使用 subroutine 关键字定义子程序。

module math_module
    contains
    subroutine print_sum(a, b)
        implicit none
        integer, intent(in) :: a, b
        print *, 'The sum is', a + b
    end subroutine print_sum
end module math_module

调用子程序

在主程序中调用子程序。

program main
    use math_module
    implicit none
    call print_sum(3, 4)
end program main

数组

创建数组

使用 dimension 属性定义数组。

integer, dimension(5) :: numbers
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]

数组操作

初始化：使用 = 或 (/ ... /)。
访问元素：使用索引。

integer, dimension(5) :: numbers
numbers = (/ 1, 2, 3, 4, 5 /)

! 访问元素
print *, numbers(1)  ! 输出: 1

! 修改元素
numbers(1) = 10
print *, numbers(1)  ! 输出: 10

数组运算

加法：+
减法：-
乘法：*
除法：/

integer, dimension(5) :: a, b, c
a = [1, 2, 3, 4, 5]
b = [6, 7, 8, 9, 10]

c = a + b  ! c = [7, 9, 11, 13, 15]

输入输出

标准输入输出

print 语句用于输出。
read 语句用于输入。

program io_example
    implicit none
    integer :: number
    real :: value

    print *, 'Enter an integer and a real number:'
    read *, number, value

    print *, 'You entered:', number, value
end program io_example

文件输入输出

使用 open, close, read, write 语句进行文件操作。

program file_io_example
    implicit none
    integer :: unit, i
    real, dimension(5) :: data

    open(newunit=unit, file='data.txt', status='replace')

    data = [1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0]
    write(unit, *) data

    close(unit)

    open(newunit=unit, file='data.txt', status='old')
    read(unit, *) data
    close(unit)

    print *, 'Data from file:', data
end program file_io_example