适合小白入门的Fortran中文教程学习

# Fortran 基础 本教程参考了包括但不限于以下网站的内容 1. https://fortran-lang.org/ 2. https://www.fortran90.org/ 3. https://www.nsc.liu.se/~boein/f77to90/f77to90.html#index 4. https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.2.4/gfortran/index.html#Top - [Fortran 基础](#fortran-基础) - [一. 编译器](#一-编译器) - [二. Hello World](#二-hello-world) - [三. 标准输入和输出 (io)](#三-标准输入和输出-io) - [四. 基本数据类型](#四-基本数据类型) - [浮点数精度](#浮点数精度) - [五. 运算符](#五-运算符) - [六. 数组和字符串](#六-数组和字符串) - [数组](#数组) - [字符串](#字符串) - [字符串数组](#字符串数组) - [七. 流程控制](#七-流程控制) - [逻辑运算](#逻辑运算) - [条件语句](#条件语句) - [循环语句](#循环语句) - [序数循环](#序数循环) - [条件循环](#条件循环) - [循环控制](#循环控制) - [八. 函数与代码结构](#八-函数与代码结构) - [子例程和函数](#子例程和函数) - [代码结构](#代码结构) - [九. 面向对象 -- 类或结构体](#九-面向对象----类或结构体) - [十. 格式](#十-格式) - [十一. 文件读写](#十一-文件读写) - [十二. 指针](#十二-指针) - [十三. 并行计算](#十三-并行计算) - [MPI](#mpi) - [Coarray](#coarray) - [十四. 内置函数](#十四-内置函数) - [数值](#数值) - [数学](#数学) - [数组](#数组-1) - [十五. Makefile管理项目](#十五-makefile管理项目) ## 一. 编译器 在此列出一些常见的Fortran编译器（参考[fortran-lang.org](https://fortran-lang.org/zh_CN/compilers/)的列表） 本中文文档将使用 ***gfortran*** 作为其中案例的编译器。 关于 ***gfortran*** 的安装方法请参考[安装GFortran](https://fortran-lang.org/zh_CN/learn/os_setup/install_gfortran/) (https://fortran-lang.org/learn/os_setup/install_gfortran/) 或 [GNU GCC](https://gcc.gnu.org/wiki/GFortranBinaries) (https://gcc.gnu.org/wiki/GFortranBinaries) 页面的指导，选择符合你操作系统的安装方法。 **开源编译器：** * [gfortran](https://gcc.gnu.org/fortran/): GNU Fortran 编译器，隶属于GNU Compiler Collection。[OpenCoarrays](http://www.opencoarrays.org/)是一个围绕gfortran的库和编译器包装器，以此可进行gfortran的并行编程功能 * [LLVM Flang](https://github.com/llvm/llvm-project/tree/main/flang): LLVM 的 Fortran 2018 新前端. (它是用现代 C++ 实现的，并使用面向 Fortran 的 MLIR 方言来降低到 LLVM IR。该项目正在积极开发中) * [Current Flang](https://github.com/flang-compiler/flang): NVIDIA/PGI 商业编译器的开源编译器 * [LFortran](https://lfortran.org/) 是一种现代的、交互式的、基于 LLVM 的 Fortran 编译器 **商业编译器：** * [Intel oneAPI](https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/tools/oneapi/toolkits.html#gs.zhoout): 是英特尔针对 Fortran、C、 C++ 和 Python。 Intel oneAPI HPC Toolkit 提供两个 Fortran 编译器：ifx(可在Intel GPUs上运行`do concurrent`) 和 ifort(仅支持CPU) (目前版本的Intel oneAPI是免费的，可购买支持) * [NAG](https://www.nag.com/content/nag-fortran-compiler): 最新的 NAG Fortran 编译器 版本 (7.0) 广泛支持传统和现代 Fortran 功能，包括使用 coarray 进行并行编程，以及对使用 OpenMP 进行编程的额外支持 * [NVIDIA HPC SDK](https://developer.nvidia.com/hpc-sdk): C、C++ 和 Fortran 编译器，以前的 PGI 编译器，支持使用标准 C++ 和 Fortran、OpenACC® 指令和 CUDA® 对 HPC 建模和仿真应用程序进行 GPU 加速。 GPU 加速的数学库最大限度地提高了常见 HPC 算法的性能，优化的通信库支持基于标准的多 GPU 和可扩展系统编程。 NVHPC 编译器是被免费提供的，目前编译器支持 Linux 平台和 x86_64、ppc64le 和 aarch64 架构， HPC 编译器论坛 提供社区支持。 * [AMD Optimizing C/C++ Compiler (AOCC)](https://www.amd.com/en/developer/aocc.html): 编译器系统是一个高性能、生产质量的代码生成工具。在构建和优化面向 32 位和 64 位 Linux® 平台的 C、C++ 和 Fortran 应用程序时，AOCC 环境为开发人员提供了各种选项。 AOCC 编译器系统提供高级优化、多线程和处理器支持，包括全局优化、矢量化、过程间分析、循环转换和代码生成。 AMD 还提供高度优化的库，可在使用时从每个 x86 处理器内核中提取最佳性能。 AOCC 编译器套件简化并加速了 x86 应用程序的开发和调整。 AOCC 编译器被免费提供，支持 x86_64 架构的 Linux 平台。 检查安装是否完成 ```shell $ gfortran --version ``` --- ## 二. Hello World 创建一个Fortran脚本`hello_world.f90`，用你最喜欢的编辑器打开并写入下面的代码 ```fortran program hello ! 这是一行注释 print *, 'Hello, World!' end program hello ``` 保存之后，在命令行中对其进行编译 ```shell $ gfortran hello_world.f90 -o hello_world ``` 编译完成后，运行 ```shell $ ./hello_world ``` --------- > ℹ️ Fortran 不区分大小写，所有大写字符都会在编译之前转为小写。 > 如：`real :: VAR, var, VaR` 将导致错误，编译器会认为同一变量声明了三次 ## 三. 标准输入和输出 (io) 此处介绍最基本的用法，详细的用法将在[十. 格式](#十-格式)和读写文件章节中介绍 ```fortran program read_value implicit none ! 添加之后所有变量必须明确声明 (可以不添加，但强烈建议添加以避免bug) - 强类型语言 integer :: age print *, '请输入你的年龄: ' read(*,*) age ! 或使用 read *, age write(*,*) '年龄: ', age end program read_value ``` --- ## 四. 基本数据类型 * integer 整数 * real 实数 * complex 复数 * character 字符 * logical 逻辑值 > ⚠️ **_注意:_** 在使用浮点数时，即使没有小数部分，也要记住加上小数点；如：`real :: x = 2.`； > 如果没有小数点可能会导致编译器识别错误 每一个`program` 或 `subroutine` 或 `function` 中必须在开头先声明所有需要使用的变量，不可以在主体运算部分另起声明 ```fortran program variables implicit none integer :: count real :: pi complex :: z character :: char logical :: isOkay count = 10 pi = 3.1415927 z = (1.0, -0.5) ! 1.0 - 0.5i char = 'A' ! 或使用双引号 "A" isOkay = .true. ! 否为 .false. end program variables ``` ### 浮点数精度 32位和64位，没有声明类型时一般为32位 ```fortran program float_precision use, intrinsic :: iso_fortran_env, only: sp=>real32, dp=>real64 implicit none real(kind=sp) :: x_32 real(kind=dp) :: x_64 x_32 = 1.0_sp ! 建议总是将类型后缀加在常量后 x_64 = 1.0_dp end program float_precision ``` --- ## 五. 运算符 * `+` 加 * `-` 减 * `*` 乘 * `/` 除 * `**` 幂 ```fortran program sphere implicit none real :: pi = 3.141592653589793238 real :: radius real :: surface real :: volume print *, '输入球体半径:' read(*,*) radius surface = 4. * pi * radius**2 volume = 4./3. * pi * radius**3 print *, '球' print *, '表面积为: ', surface print *, '体积为: ', volume end program sphere ``` `parameter` 代表常量，在运行过程中无法修改，类似于C/C++中的`const`，所以需要在声明时初始化 ```fortran program molar_mass implicit none real, parameter :: NaCl = 58.5 ! 氯化钠的摩尔质量为58.5g/mol real :: mass real :: mol print *, '输入氯化钠质量:' read(*,*) mass mol = mass / NaCl print *, 'NaCl' print *, '摩尔量为: ', mol, ' mol' end program molar_mass ``` --- ## 六. 数组和字符串 ### 数组 > **注：** > - 数组默认从1开始序数 > - 也可以自定义从任意�