Fortran

Fortran （正體）

Fortran，亦译为福传，是由Formula Translation两个字所组合而成，意思是“公式翻译”。它是世界上第一个被正式采用并流传至今的高级编程语言。

历史

古老的IBM 704大型主机。本图由Lawrence Livermore National Laboratory（LLNL）提供

FORTRAN 发明的年代还没有键盘与屏幕，编程码必须使用打卡机打在打孔卡（punch card）上。图中显卡片上的1-5行、第6行与73-80行被使用过。

Fortran语言最初是由数值计算方面的需要而发展起来的。1953年12月，IBM公司编程员约翰·巴科斯（J. Backus）深深体会到编写程序的困难性，他写了一份备忘录给董事长斯伯特·赫德（Cuthbert Hurd），建议为IBM704系统设计一套全新的电脑语言，从根本上提高编程效率。当时IBM公司顾问冯·诺伊曼强烈反对这项建议，他认为巴克斯的建议是没有必要的，而且不切实际。但赫德批准了这项计划。1957年，IBM公司开发出第一套FORTRAN语言，运行在IBM704计算机上。历史上第一支FORTRAN编程在马里兰州的西屋贝地斯核电厂试验。1957年4月20日星期五的下午，一位IBM编程员决定在电厂内编译第一支FORTRAN编程，当编程码输入后，经过编译，打印机列出一道讯息：“源程序错误……右侧括号后面没有逗号”，现场人员都感到讶异，这个错误经过修正之后，编程编译器再度执行，二十二分钟后，打印机输出正确结果。西屋电气公司意外地成为FORTRAN的第一个商业用户。1958年推出FORTRAN Ⅱ，几年后又推出FORTRAN Ⅲ，1962年推出FORTRAN Ⅳ，开始广泛被使用。

1966年，美国标准化协会制定了Fortran（x3.9-1966，也就是Fortran 66）和Fortran（x3.10-1966）标准。这时Fortran语言还不是结构化的程序设计语言。

1976年，美国标准化协会重新对Fortran（x3.9-1966）进行了评估，公布了新的Fortran标准，也就是Fortran 77。Fortran 77是具有结构化特性的编程语言。Fortran77在短时间内取得了巨大的成功，广泛地应用于科学和工程计算，几乎统治了数值计算领域。

1980年，Fortran 77被ISO接纳为国际标准。

1991年发布的Fortran 90大幅改进了旧版Fortran的型式，加入了对象导向的观念与提供指针，并同时加强数组的功能。

Fortran后来又陆续推出Fortran 95、Fortran 2003等更新版本。

FORTRAN

最早的FORTRAN版本应用于IBM 704系统上，包含了32种语句，包括：

• DIMENSION和EQUIVALENCE语句
• 赋值语句
• 三态算术IF语句。^[1]
• 以 IF 这个陈述式检查例外情况（ACCUMULATOR OVERFLOW, QUOTIENT OVERFLOW和DIVIDE CHECK）；IF语句以处理判断开关和判断指示灯
• GOTO，计算的GOTO，ASSIGN，和赋值GOTO
• DO循环
• 格式化的输入与输出（Formatted I/O）: FORMAT, READ, READ INPUT TAPE, WRITE, WRITE OUTPUT TAPE, PRINT和PUNCH
• 非格式化的输入与输出（Unformatted I/O）: READ TAPE, READ DRUM, WRITE TAPE和WRITE DRUM
• 其他的输入与输出: END FILE, REWIND，和BACKSPACE
• PAUSE, STOP,和CONTINUE
• FREQUENCY语句（为编译器提供优化帮助）^[2]

FORTRAN II

1958年IBM又推出 FORTRAN II. 支援使用者撰写副编程（subroutines）以及函数（functions）. 有六个新陈述如下：

• SUBROUTINE, FUNCTION,和END
• CALL和RETURN
• COMMON

接下来的几年内，FORTRAN II 继续又支援 DOUBLE PRECISION 和 COMPLEX 等资料型态（data types）。

FORTRAN III

IBM 继续开发 FORTRAN III 至1958年时已可以内建组合语言码并新增其它功能；然而这个版本却从未推出。有如704 FORTRAN 和 FORTRAN II、FORTRAN III 等的开发过程包含了过多的机器相依性（machine-dependent），造成编程码不易移植到其他机器上的问题。早期提供FORTRAN 版本的厂商经常为此所苦

A pad of Fortran coding forms, intended to be used by programmers to prepare the program for transcription by card punch operators. Now obsolete.

FORTRAN IV

自1961年开始，由于客户的强烈要求，IBM 开始发展FORTRAN IV，目的在于移除一些FORTRAN II 中过于依赖机器本身的编程码（ 例如：READ INPUT TAPE）同时新增一些新的功能，如 LOGICAL 资料型别。布林运算式（TRUE或者FALSE）与 逻辑IF语句 则取代了 算术IF语句。FORTRAN IV 于1962年推出，最早应用于IBM 7030（"Stretch"）计算机之上，以及其接续的IBM 7090和IBM 7094版本。

FORTRAN 66

早期的FORTRAN语言发展史上最重要的一件大事也许是美国标准协会（American Standards Association，即今日的 ANSI）的委员们开始为FORTRAN制定标准规格，名为"American Standard Fortran." 1966年委员会推出两套FORTRAN标准版本，分别定义成 FORTRAN （基于FORTRAN IV，用来应付 de facto 标准）和 Basic FORTRAN（基于FORTRAN II，并且移除其平台依赖性）。FORTRAN 第一套标准后来被称为 FORTRAN 66（大家仍习惯称之为 FORTRAN IV）。FORTRAN 66 有效的成功第一套工业标准版的FORTRAN。其功能如下：

• 主程序，SUBROUTINE，FUNCTION和BLOCK DATA程序单元
• INTEGER, REAL, DOUBLE PRECISION, COMPLEX和LOGICAL数据类型
• COMMON, DIMENSION和EQUIVALENCE语句
• DATA语句用以指定初始值
• 内部和EXTERNAL（例如库）函数
• 赋值语句
• GOTO，赋值GOTO和计算GOTO语句
• 逻辑IF和算术（三态）IF语句
• DO循环
• READ, WRITE, BACKSPACE, REWIND和ENDFILE语句以处理顺序读写
• FORMAT语句
• CALL, RETURN, PAUSE和STOP语句
• DATA和FORMAT语句中的霍尔瑞斯常数，作为子程序的实际参数
• 最长六个字母的标识符
• 注释行

FORTRAN 77

在FORTRAN 66 标准推出之后，各家编译器厂商不断推出更具扩充性的标准FOTRAN（"Standard Fortran"）, 这使得ANSI于1969年开始着手于1966标准版本的修正工作。最后定稿于1977年，1978年四月正式推出FORTRAN。新的标准规格也就是著名的 FORTRAN 77，这个版本是基于FORTRAN 66之上新增许多功能，弥补过去的缺点：

• CHARACTER数据类型，极大地扩展了的字符输入和输出以及对基于字符的数据进行处理的工具
• IMPLICIT语句
• IF语句块，以及可选的ELSE和ELSE IF从句，提供改进了的对结构化编程的语言支持。
• OPEN，CLOSE和INQUIRE语句以改进I/O能力
• 直接访问文件I/O
• PARAMETER语句以指定常数
• SAVE语句以保存本地变量
• 内部函数的通用名称

1978年推出了一个重要的版本 FORTRAN 77 是为MIL-STD-1753 Release版。这个规格由美国国防部制定，这个标准化的FORTRAN 77 编译器并未引入ANSI FORTRAN 77 标准。一些新功能最终合并到Fortran 90 标准版。

• DO WHILE和END DO语句
• INCLUDE语句
• IMPLICIT NONE变量，用于IMPLICIT语句
• 位处理内部函数，基于类似的包含在工业实时Fortran (ANSI/ISA S61.1 (1976))中的函数

1991年推出IEEE 1003.9 POSIX 标准版, 为Fortran-77 的编程人员提供了 POSIX system 上的呼叫。有超过一百种功能呼叫被定义在文件上。允许存取POSIX-相容的行程控制（process control）、信号取得（signal handling）、档案系统控制（file system control）、装置控制（device control）、程序指定（procedure pointing），以及资料流的输入与输出（stream I/O）。

由于成功的修正了 FORTRAN 77 发展流程，使得原本过于缓慢重复的编程设计可以顺利的应付计算机领域迅速的变化。同时，作为将近15年的“标准FORTRAN”，FORTRAN 77成为历史上最重要的一套电脑语言。

Fortran 90

FORTRAN 77的被严重推迟的后续版本，非正式的名称是Fortran 90，最终于1992年作为ANSI标准被发表。这一大版本添加了许多新特性以反映自1978年标准以来发展的在编程方面显著的变化：

• 自由格式源代码输入，以及小写的Fortran关键字
• 模块，将有关联的过程和数据组合在一起，使它们可以被其它程序单元调用，包括允许限制一些模块的特定部分访问。
• RECURSIVE过程
• 极大地改善了参数传递机制，允许在编译时检查接口
• 通用过程的用户自定义接口
• 操作符重载
• 派生/抽象数据类型
• 新的数据类型定义语法，以指定数据类型和变量的其它属性
• 可以在表达式和赋值语句中按整体操作数组（或数组节），由此极大地简化了数学和工程计算。这些特性包括整体、部分和通配的数组赋值（比如用WHERE语句作选择性赋值），数组常数和表达式，用户定义的数组函数和数组构造。
• 动态内存分配通过ALLOCATABLE属性和ALLOCATE和DEALLOCATE语句
• POINTER属性，指针赋值和NULLIFY语句以便于创建和操作动态数据结构
• CASE结构以用于多路选择
• EXIT和CYCLE语句以用于在按顺序地"跳出"正常的DO循环重复
• 最长31个字符的标识符
• 行内注释
• 用户可控制的可定义的数字精度
• 新的和增强的内部过程

Fortran 95

Fortran 95 仅是一个小改版，大部份修正了Fortran 90 standard一些较为显著的问题。虽然如此，Fortran 95 仍有不少的扩充，尤其是在 High Performance Fortran 的规格:

• FOR ALL和嵌套的WHERE结构以帮助向量化
• 用户定义的PURE和ELEMENTAL过程

Fortran 95的一个重要补充是ISO技术报告 TR-15581: 增强的数据类型工具，非正式名称是可分配的TR。这一标准定义了ALLOCATABLE数组的增强的应用，先于与完全的Fortran 2003兼容的Fortran编译器，以供使用。这些使用包括在过程伪参数列表中以及将函数返回值使用ALLOCATABLE数组作为派生的类型组件。（ALLOCATABLE数组比基于POINTER的数组更受欢迎，因为ALLOCATABLE数组是由Fortran 95保证的，当它们退出范围时会被自动释放掉，避免了内存溢出的可能性。另外，别名也不再是优化数组引用时的一个问题，可以使编译器生成比用指针时更快的代码。）

Fortran 95的第二个补充是ISO技术报告 TR-15580: 浮点异常处理，非正式名称是IEEE TR。这一标准定义了对IEEE浮点算术和浮点异常处理的支持。

Fortran 2003

最新的版本，Fortran 2003，有着更大幅度的改版。ISO Fortran Working Group (WG5)的官方网站有关于Fortran 2003新特性的详细总结，并有PDF文件PDF或者压缩PostScript文件可供直接下载。

据该文所述，本版本的主要改进包括：

• 增强了衍生类型：带参数的衍生类型，改善了控制的可操作性，改善了结构化的创建和释放。
• 支持面向对象编程：扩展类型和继承，多态，动态类型分配，以及类型绑定过程。
• 改善了数据操作：可分配的组件（编入IEEE TR 15581），延期的类型参数，VOLATILE属性，在数组构造和分配语句中显式定义类型，增强的指针，扩展的初始化表达式，增强的内部过程。
• 增强的输入/输出：异步传输，流访问，用户指定衍生类型的传输操作，用户在格式转换时指定舍入控制，为连接前单元指定常数，FLUSH语句，关键字的规范，访问错误信息。
• 过程指针。
• 支持IEEE浮点算法和浮点异常处理（编入IEEE TR 15580）。
• 与C语言的交互性
• 支持国际化：访问ISO 106464字节字符和在格式化的数字输入/输出中选择数字或者逗号。
• 与宿主操作系统增强的集成：访问命令行参数，环境变量和处理器错误信息。

Fortran 2008

FORTRAN的特性

• Fortran语言的最大特性是接近数学公式的自然描述，在计算机里具有很高的执行效率。
• 易学，语法严谨。
• 可以直接对矩阵和复数进行运算，这点跟Matlab类似。
• 自诞生以来广泛地应用于数值计算领域，积累了大量高效而可靠的源程序。
• 很多专用的大型数值运算计算机针对Fortran做了优化。
• 广泛地应用于并行计算和高性能計算领域。
• Fortran 90，Fortran 95，Fortran 2003的相继推出使Fortran语言具备了现代高级编程语言的一些特性。
• 其矩阵元素在记忆空间储存顺序是采用栏优先(Column first)，Matlab也承袭这点，目前最多使用的C语言则采用列优先(Row first)。

FORTRAN的Hello World编程

下面是一个在标准输出设备上输出Hello World的简单程序，这种程序通常作为开始学习编程语言时的第一个程序：

以 Fortran 90/95 自由格式的写法为例

! 驚嘆號之後是註解
program main ! 這行可以省略，但是寫大程式的時候會發生混亂
    write (*,*) "hello, world!" ! 第一個 * 表示輸出縮排使用內定值， 第二個 * 表示不指定輸出格式
    write (unit = *, fmt = * ) "hello, world!" ! 作一樣的事
    stop ! 這行代表程式結束，可以省略
end program main ! end 之後的 program main 也可以省略，但寫上是比較嚴謹的

FORTRAN编译器

• Windows操作系统下：
  • Visual Fortran系列
    • Fortran Power Station 4.0 (FPS 4.0)，微软公司开发的Fortran编译器。1997年3月转让给DEC公司。
    • Digital Visual Fortran (DVF)，Fortran Power Station的DEC公司版本，版本号为 5.0.x ~ 6.0.x 。1998年1月，DEC公司被康柏公司收购，Digital Visual Fortran更名为Compaq Visual Fortran。
    • Compaq Visual Fortran (CVF)，上述 DVF 的进一步发展，版本号 6.5.x ~ 6.6.B。2002年5月康柏公司已并入惠普公司，但仍然称为Compaq Visual Fortran，版本号升级到 6.6.C 。
    • Intel Fortran，英特尔公司开发的Fortran编译器。事实上，惠普购买了 Compaq 的Fortran编译器技术之后不久，便留下了用于 Linux/UNIX 系统的相关技术，而将 Windows 平台上的 Fortran 编译器相关权利全部转售给 Intel。因此从 CVF 6.6.C 之后，Windows 平台下的 Visual Fortran 编译器就改由 Intel 生产和销售了，（需要微软 Visual Studio 外壳的支持才能实现 Visual IDE功能，Intel 只提供命令行界面的编译器内核）。
  • Lahey Fortran
  • Absoft Fortran
  • OpenWatcom

• Linux操作系统下：
  • PGI Fortran
  • g77，GNU的Fortran 77编译器，集成在GCC中。
  • gfortran，GNU的最新的Fortran编译器，集成在GCC 4.0中，目的是支持Fortran 95和一部分Fortran 2003的功能，以替代G77。
  • Intel Fortran
  • Absoft Fortran
  • g95，跟GFORTRAN同为开放源代码的Fortran 95编译器。

FORTRAN 的套件

几个著名的Fortran Package：

• IMSL--国际数学和统计链接库
• BLAS--Basic Linear Algebra Subroutines
• LAPACK--Linear Algebra PACKage

注释

参见

• High Performance Fortran -高性能計算专用的Fortran编程语言

外部链接

• The fortran company
• gfortran
• gfortWiki
• 科学计算的语言——FORTRAN95
• Fortran博物馆
• Fortran程序员俱乐部（英文）
• 一个可以查找fortran包的网址（英文）

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