Е. Н. Акимова основы программирования на языке фортран учебное пособие
Скачать 0.85 Mb.
|
| Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Е.Н. Акимова ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НА ЯЗЫКЕ ФОРТРАН Учебное пособие Екатеринбург УрФУ 2015 Оглавление Введение 4 Историческая справка 6 Структура программы 9 Отличия Фортрана 90 от Фортрана 77 12 Доступ к вычислительным ресурсам 16 Запуск задач на кластере 18 Переписать тексты программ на сервер 18 Компиляция программ 18 Запуск программы на счет 20 Типы данных 23 Операторы описания типов данных 27 INTEGER целого типа 27 REAL и DOUBLE PRECISION вещественного типа 28 COMPLEX и DOUBLE COMPLEX комплексного типа 29 CHARACTER символьного типа 30 LOGICAL логического типа 30 DIMENSION массивов 31 Атрибут PARAMETER 33 Разновидности встроенных типов данных 36 Выражения, операции и присваивания 37 Арифметические выражения 37 Выражения отношения 38 Логические выражения 39 Правила вычисления выражений 39 Операторы ввода/вывода 40 Оператор ввода DATA 40 Оператор ввода READ 41 Оператор вывода WRITE 42 Оператор вывода на экран PRINT 43 Оператор задания формата ввода-вывода (FORMAT) 44 Спецификации X, T 44 Спецификатор I 45 Разделители 46 Спецификация F 47 Повторители 49 Спецификация E 50 Спецификация G 51 Дескрипторы данных 52 Операторы условия 54 Логический оператор условия 54 Арифметический оператор условия 58 Конструкция SELECT CASE 61 Операторы цикла 63 Оператор цикла DO 63 Оператор цикла DO WHILE 65 Оператор остановки STOP 66 Оператор выхода из цикла EXIT 67 Операторы перехода 68 Оператор бузословного перехода GOTO 68 Вычисляемый оператор перехода GOTO 68 Оператор условного перехода IF … GOTO 69 Работа с массивами 70 Ввод массивов 70 Вывод массивов 72 Обработка массивов 74 Подпрограммы 77 Оператор-функция 79 Подпрограмма-функция FUNCTION 81 Подпрограмма-процедура SUBROUTINE 83 Работа с внешними файлами 86 Оператор открытия файла OPEN 86 Оператор закрытия файла CLOSE 87 Примеры работы с файлами 87 Литература 90 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. 1990 г. – Microsoft Fortran 5.0 (Фортран 90). 1997 г. – Фортран 95 (Compaq Fortran 95) 2004 г. – Фортран 2000 или 2003. Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. Смысл появления такого языка, оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм. Одним из первых и наиболее удачных компиляторов стал язык Фортран, разработанный фирмой IBM. Профессор Дж. Букс и группа американских специалистов в области программирования в 1954 году опубликовало первое сообщение о языке. Дословно, название языка FORmulae TRANslation –преобразование формул. Среди причин долголетия Фортрана (он является одним из самых распространенных языков в мире), можно отметить простую структуру, как самого Фортрана, так и предназначенных для него трансляторов. Программа на Фортране записывается в последовательности предложений или операторов (описание преобразования информации), и оформляется по определенным стандартам. Эти стандарты накладывают ограничения, в частности, на форму записи и расположения частей оператора в строке бланка для записи операторов. Программа, записанная на Фортране, представляет собой один или несколько сегментов (подпрограмм) из операторов. Сегмент, управляющий работой всей программы в целом, называется основной программой. Фортран был задуман для использования в сфере научных и инженерно-технических вычислений. Однако на этом языке легко описываются задачи с разветвленной логикой (моделирование производственных процессов, решение игровых ситуаций и т.д.), некоторые экономические задачи и особенно задачи редактирования (составление таблиц, сводок, ведомостей и т.д.). 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. Разработчикам Фортрана удалось найти компромисс между удобством программирования и эффективностью программ, написанных на этом языке. Синтаксис языка строился таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность автоматической оптимизации исполняемого кода. Это позволило в дальнейшем создавать оптимизирующие компиляторы, поставившие вычислительные возможности программ на Фортране вне всякой конкуренции. Язык был оснащен богатым набором встроенных математических функций и функций ввода-вывода, что существенно упрощает процесс программирования вычислительных задач. Структура программы Текст программы представляет из себя запись на языке программирования алгоритма решения поставленной задачи. При записи текста используются следующие символы: 1. Прописные или строчные буквы латинского алфавита от А до Z; 2. Цифры от 0 до 9; 3. Специальные символы: (символ пробел и специальные символы: =, +, -, *, /, (, ), ., $, ', :, _, #, &, <, >.). Буквы русского алфавита и другие символы могут использоваться только в комментариях, операторах ввода и вывода программы. Любая программа состоит из операторов (предложений) языка, которые располагаются в строках длиной 2049 символов. Положение символа в строке нумеруется слева направо, начиная с 1-ой позиции. В языке Фортран имеются определённые правила, которых следует придерживаться при наборе программы на компьютере. Записать программу в Фортране можно двумя способами. Первый способ – классический (характерен для версии Fortran-77). Согласно ему, текст программы записывается с 7-й по 72-ю (в Fortran Power Station – по 2049-ю) позиции строки (поле текста программы, рис. 1), причем в этих пределах расположение произвольное. Любой оператор может быть помечен меткой – целым десятичным числом (не более 5 цифр), метка располагается в позициях 1-5 строки (поле меток). Метки ставят не на все операторы, а только на те, на которые будут ссылки в программе. Назначение меток: метки дают возможность обращаться к нужной строке программы из любого места этой программы. При использовании меток в программе необходимо учитывать следующее: 1) в одной программе не может быть двух одинаковых меток; 2) номера меток ставятся в произвольном порядке.  Рис. 1. Структура программы В строке программы должен размещаться только один оператор, однако, если оператор не помещается в позициях 7-72 или желателен его перенос на следующую строку, то в каждой строке продолжения в 6-ой позиции (поле переноса) печатается символ звездочка «*», либо любой другой символ, отличный от нуля. Если в первой позиции любой строки программы напечатан «!» (восклицательный знак), то такая строка рассматривается как комментарий текста программы и транслятором игнорируется. Для записи текста комментария могут использоваться любые символы, а сам текст комментария располагается в позициях 2-72 строки. При сохранении программы написанной таким способом необходимо присваивать ей расширение .FOR. В качестве поясняющего текста может быть любая информация (она транслятором не воспринимается, а служит для читаемости программы при последующих просмотрах ее текста). Все операторы в программе выполняются поочередно сверху вниз. Для изменения очередности применяются операторы управления. Второй способ – универсальный. При реализации программы этим способом можно располагать операторы с 1-й позиции по 2049-ю, не соблюдая поле меток. В случае, когда необходимо какой-то строке присвоить метку, ее располагают в самом начале строки, а затем не менее чем через пробел располагают оператор. При сохранении программы написанной таким образом можно присваивать ей расширение .F90. Предложения описания переменных в Фортране 90 имеет вид: ТИП : : СПИСОК_ПЕРЕМЕННЫХ или ТИП, АТРИБУТЫ : : СПИСОК_ПЕРЕМЕННЫХ В списке переменных имена разделяются запятыми, а тип задает общий тип переменных из одного списка, являясь идентификатором типа. Отличия Фортрана 90 от Фортрана 77 С момента появления стандарта FORTRAN 77 вычислительная техника проделала огромный путь в своем развитии: помимо роста мощности расширилось и число различных компьютерных платформ. Результатом этого явилось появление систем программирования, каждая из которых обладала собственным набором расширений стандарта ANSI 77. Это, конечно, не способствовало межплатформенной совместимости Fortran-программ. В 1992 г. был принят новый стандарт — Fortran 90. В этот момент изменился принцип написания названия языка: раньше оно писалось большими буквами (FORTRAN), а теперь заглавной является только первая буква (Fortran). Этот принцип написания относится ко всем языкам программирования — Basic, Cobol, Pascal и пр. По устоявшейся традиции новый стандарт обеспечивает полную совместимость с предыдущим. В целом, Fortran 90 включает многие расширения стандарта FORTRAN 77, реализованные в различных конкретных системах разработки, и поэтому обеспечивает более высокий уровень совместимости между различными платформами. Большинство из них имеет свои прямые аналоги среди других современных языков программирования (C/C++, Pascal, Basic). Fortran 90 добавляет к Fortran 77 средства новых вычислений, динамические структуры данных, введения в параллельные архитектуры, объектно-ориентированные средства. Fortran 90 имеет такие объектно-ориентированные средства как: 1) абстрактные типы данных — типы, определенные пользователем; 2) закрытие данных — атрибуты PRIVATE и PUBLIC; 3) инкапсуляция — средства модулей и закрытых данных; 4) наследование и расширение — супертипы, оператор перекрытия и родовые процедуры; 5) полиморфизм — пользователь может перекрывать ее с помощью перегрузки родовых программ; 6) повторное использование — через модули. Основные характеристики Fortran 90: 1) свободный синтаксис; 2) длина идентификаторов до 31 символа; 3) вставочные комментарии; 4) работа с массивами; 5) рекурсивные процедуры; 6) модульность; 7) улучшенный механизм передачи параметров; 8) пользовательские интерфейсы для процедур; 9) перегрузка операторов; 10) абстрактные типы данных; 11) новый синтаксис объявления типа данных; 12) динамическое распределение памяти посредством атрибута ALLOCATABLE и операторов ALLOCATE и DEALLOCATE; 13) структурированные конструкции циклов; 14) оператор CASE для множественного выбора; 15) новые и расширенные встроенные процедуры. Изменения в формате кода Жесткая структура формата исходного текста Fortran-программы (позиции 1-5 — для меток, 6 — перенос строки кода, 7-72 — операторы языка) была одним из главных объектов критики со стороны программистов. Это было не очень удобно еще во времена перфокарт, но стало просто анахронизмом при работе с дисплеем. Поэтому реализация "свободной формы" исходного текста в новом стандарте была совершенно необходима для получения статуса "современного языка программирования". Основные изменения в формате исходного кода включают следующие элементы: 1) комментарий отмечается символом "!", который может находиться в любой позиции строки; 2) сам код программы может занимать позиции 1-132 строки; 3) идентификатор переменных и процедур содержит до 31 символа, в числе которых можно использовать знак подчеркивания "_"; 4) в одной строке можно писать несколько операторов, разделенных символом ";"; 5) для переноса длинной строки кода используется символ "&" в конце строки; 6) новое обозначение логических операторов (==, /=, <=, >=, <, >) вместо принятых ранее (.eq., .ne., .le., .ge., .lt., .gt.). Пример программы на Fortran 90: ! Данная программа выполняет пересчет единиц измерения ! углов из "градусов" в "радианы" program Free_Form_Example implicit none ! контроль описания типа переменных integer start, finish, step real degrees, radians start = -90; finish = 90; step = 5 do degrees = start, finish, step ! оператор "do ... end do" radians = & ! "&" означает перенос строки degrees*3.14159/180.0 end do end program Free_Form_Example Целью такой модернизации формы кода является не следование требованиям моды — в результате ее снижаются затраты на разработку программ. В связи с этим нужно добавить, что в состав Fortran 90 включен целый ряд операторов, управляющих логикой работы программы: DO (новый вариант), SELECT CASE, CYCLE, EXIT. Все это делает структуру программы более понятной и удобной для разработчика. Другим новшеством является поддержка рекурсивных функций, а также механизма внутренних процедур (Internal Procedure) аналогично тому, как это делается в Pascal. Пример: subroutine OuterProcedure ! основная процедура ... contains ! начало "включения" в процедуру subroutine InternalProcedure ! внутренняя процедура ... end InternalProcedure ! конец внутренней процедуры end OuterProcedure ! конец основной процедуры Дальнейшим развитием этой идеи является появление понятия "модуль" (Module), которое сильно напоминает аналогичную конструкцию в MS Basic. Основой смысл данной конструкции заключается в объединении в одном модуле процедур, имеющих общие внутренние переменные. Общий вид структуры модуля: module ModuleName ! начало модуля ... Блок описания общих переменных модуля ... contains ! начало "включения" в модуль ... Процедуры (subroutine ... end) ... end module Оператор CONTAINS отделяет исполняемые операторы от описания внутренних подпрограмм. Для удобства работы с процедурами модуля из других частей программы можно использовать оператор USE, в этом случае он автоматически делает доступными все описания данных и процедур модуля. Но при этом пользователь может самостоятельно определить, к каким процедурам модуля можно обращаться извне (Public), а к каким — нет (Private). Доступ к вычислительным ресурсам 1. Получить login (имя пользователя) и пароль для доступа на сервер. Имя пользователя и пароль выдаются администратором серверов. 2. Установить на рабочий компьютер программу PUTTY. Доступ к серверам осуществляется через протокол SSH. Этот протокол используется для терминального доступа к командной строке (SSH – «secure shell»). Для работы с командной строкой рекомендуется программа putty. Эта программа позволяет единожды ввести адрес сервера и, в дальнейшем, выбирать его из списка сессий. В настройках putty необходимо указать протокол SSH. При первом соединении с сервером программа выдает предупреждение о том, что ключ шифрования сервера ранее не использовался, и предлагает его сохранить или отвергнуть (продолжить сеанс или прервать). Надо выбрать продолжение сеанса. Пример диалога при входе на сервер UM16 с именем xxxxx с компьютера ada.imm.uran.ru: login as: xxxxx Password: ! введите пароль Last login: Tue Sep 6 16:31:23 2009 from ada.imm.uran.ru Можно изменить свой пароль в любое время, набрав команду passwd, например: [~@um16] : passwd Password for xxxxx@IMM.URAN.RU: ! наберите здесь свой текущий пароль Enter new password: ! наберите новый пароль Enter it again: ! повторите новый пароль Password changed. ! успешная смена пароля Для того чтобы защитить свою учетную запись, необходимо соблюдать следующие рекомендации: 1) использовать пароль не менее, чем из 6 букв и цифр и хранить его в секрете; 2) один раз в полгода менять свой пароль; 3) никогда не оставлять активный терминал без внимания, всегда выходить (logout) со своего терминала (заканчивать сеанс) прежде, чем покинуть его; 4) обязательно сообщать о любом неправильном использовании или злоупотреблении системному администратору, иначе доступ к серверу будет закрыт. Для того чтобы завершить сеанс работы на сервере, надо выполнить команду logout. Запуск задач на кластере Переписать тексты программ на сервер Для этого можно использовать программу WinSCP. При копировании файлов (протоколы SCP – “secure copy” и SFTP – “secure ftp”) в настройках WinSCP рекомендуется выбрать протокол SFTP. Программа WinSCP позволяет сохранить имя пользователя и пароль. При первом соединении с сервером программа выдает предупреждение о том, что ключ шифрования сервера ранее не использовался, и предлагает его сохранить или отвергнуть (продолжить сеанс или прервать). Надо выбрать продолжение сеанса. Программа WinSCP может использоваться как самостоятельное приложение и как плагин для других программ проводников, например для Far Commander. Тексты программ и данные для задачи можно записать в отдельный каталог, тогда вся информация по этой задаче будет сохраняться в этом каталоге (объектные модули после трансляции текстов программ, файл с сообщениями об ошибках, выходные файлы). На сервере существует понятие домашнего каталога, это каталог с именем /home/имя_пользователя. При работе с командной строкой этот каталог становится текущим после установления терминального соединения. Программа WinSCP может запоминать последний посещенный в предыдущей сессии каталог. Поэтому важно следить, в какой каталог производится копирование. После копирования необходимо перейти в рабочий каталог, выполнить компиляцию программы и ее запуск. Компиляция программ Для удобства работы можно воспользоваться оболочкой Midnight Commander (напоминает FAR или NC), введя в командной строке mc. По умолчанию на всех главных узлах установлен некоторый набор компиляторов и библиотек. При выполнение входа на вычислитель каждому пользователю на экран выдается информация об установленных и доступных ему компиляторах и библиотеках, а также дополнительная служебная информация. Для настройки версии MPI и транслятора необходимо использовать команду mpiset. Компиляция выполняется командами:
Для файлов на Си и C++ важно расширение имени файла: 1) для языка С расширение файла должно быть .c 2) для языка С++ расширения файла должно быть .cxx В командной строке задается список файлов, которые надо откомпилировать, и имя выходного файла. Для удобства, сообщения об ошибках компиляции желательно перенаправить в файл. Например. Программа должна называться outprog и собирается из файлов in1.c и in2.c, находящихся в каталоге proj, то необходимо выполнить следующие действия: cd proj mpicc –o outprog in1.c in2.c 2>errors.log Сообщения об ошибках компиляции попадут в файл errors.log. Файл с ошибками можно скопировать, используя WinSCP, на свою машину и просмотреть в текстовом редакторе или открыть прямо на вычислителе с использованием mc. В командной строчке файл можно пролистать командой: less errors.log При пролистывании используются клавиши – выход из просмотра. |
Похожие:
 | Основы программирования на языке C++ (Структурное программирование). Учебно-методическая разработка по дисциплине «Программирование».... |  | Учебное пособие предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов, которые хотят овладеть основами научного стиля на английском... |
| Б 90 Основы риторики и коммуникации. Нормативный и коммуникативный аспекты современной риторики [Текст] : учебное пособие / М. Б.... | | «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» |
| Учебное пособие предназначено для руководителей центральных исполнительных органов государственной власти и органов местного самоуправления,... | | Ольховая Л. П. Физико-химические основы технологических процессов : учеб пособие / Л. П. Ольховая, С. В. Чеченина. – Хабаровск :... |
| Социология: Методическое пособие /Акимова И. А., Гаврилина Е. А., Кансузян Л. В. и др.; Под ред. Акимовой И. А. – М.: Изд-во мгту... | | Учебное пособие пм 04 Выполнение работ по профессии Младшая медицинская сестра по уходу за больными |
| Учебное пособие предназначено для студентов III v курсов специальности «Технология художественной обработки материалов» | | Хрестоматия по культурологии: учебное пособие / Под ред. Е. Я. Букиной. Новосибирск: Изд-во нгту, 2008 |