计算物理课件 第二章Fortran程序设计初步.ppt

洛阳师范学院物理系,第二章 Fortran程序设计初步,1.Fortran程序简例 1.1 编程实例 1.2 Fortran程序的特点 2.Fortran程序的基本组成 2.1 字符集 2.2 程序组成 3.数学运算 3.1 常量和变量类型 3.2 内在函数 3.3 算术表达式,计算物理导论课多媒体课件,洛阳师范学院物理系,2.1 Fortran程序简例,程序实例基本语句程序特点,例1.1 输入两个数，求算数平均和几何平均值。Fortran 77/90 程序,第一章 Fortran程序设计初步,程序示例比较,洛阳师范学院物理系,C-求两种平均値-PROGRAM Example_1_1 REAL a,b,av1,av2 READ(*,*)a,b av1=(a+b)/2 av2=sqrt(a*b)WRITE(*,*)av1,av2 END,PROGRAM Example_1_1!求平均REAL:a,b,av1,av2READ*,a,b av1=(a+b)/2;av2=(a*b)*0.5PRINT*,av1,av2 END,第一章 Fortran程序设计初步,程序説明：程序中第1行是注释行，对程序起说明作用。F77注释行是以“C”或“!”作为该行第一个字符的，F90可在任意一行末以“!”开始作为注释符。第2行是主程序名，第3行是变量类型定义，第4行是输入语句，第56行是赋值部分，第7行是打印输出语句，最后是程序结束。注意F77的固定书写格式和F90的自由格式。F90中用“；”将两行并为一行。,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,固定格式示例,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,标号区：第l5列 可以写l至5位整数。也可以没有标号。标号区中的空格不起作用。如lOO与100 或1 0 0作用相同。标号应是无符号整数(无正负号或小数点)。标号大小顺序没有任何要求。假如第二行的标号为1000，第三行的标号可以是10，也可以是99999。标号区内不得出现标号以外的内容，但注释行例外。注释行的内容可以写在标号区内，一行中第一列为C或*的，该行即被认为注释行，编译时对该行内容不作翻译，对程序运行不产生任何影响。如果在第一列上出现的不是数字、空格或C和*的字符，编译时按出错处理。续行区：第6列 如果在一行的第6列上写一个非空格和非零的字符，则该行作为其上一行的续行。注意在某些系统中，这个字符可以不限于上面所列的，如 等字符均可使用。F77允许一个语句有19个续行(即一个语句最多可以写成20行)。有的程序中第6列上用“l”，“2”，表示该行是第1个或第2个续行，但用数字字符容易与第7列的数字形成连续的数字串而引起错觉，故最好使用固定的特殊字符。,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,语句区：第772列 不要求一定从第7列开始写语句，可以从第7列以后（72列以前）的任何一列开始写，但一行只能写一个语句。如果写满了72列，一旦在终端上修改程序时在该行又插入了一些字符，就会使本行最后几个字符超出语句区而引起意料不到的错误。特别注意到语句最后的空格将可能溢出72列，在某些计算机系统上将导致难以查出的错误。应注意，引号内的字符串中所包括的空格是有效的，不能忽略。注释区：第7380列 在卡片输入法时代，程序员一般利用此8列为程序行编序号以便查找。注释区只对程序员提供辨别信息，不是语句的一部分，在编译时不对7280列作处理。,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,自由格式示例,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,行：一行为132列。可以有复数条程序语句，语句间用分号“;”分开。语句没有位置规定。注释行：起始用注释符“!”号，此行其后的所有字符均作为注释（字符串中的!号除外，如 print*,help!）。续行：当一个语句非常长以至于132列都书写不下时，允许有39个续行。在语句行最后加上续行符“”。一个语句最长不能超过2640个字符。,洛阳师范学院物理系,程序实例 基本语句程序特点,第一章 Fortran程序设计初步,PROGRAM语句：宣布程序开始，其后跟程序名。可省略。REAL语句：定义a,b,.等变量为实数型数据。如为整数型，则用INTEGER定义。变量名：可用a,b等无具体意义的文字，或用average_value等英文缩写。使用的字 符和文字长度有具体规定。输入输出语句：可以用以下任一种默认格式，注意星号(*)和逗号(,)。星号意指默认的输入输出硬件(键盘和屏幕)及格式。READ*,变量名 READ(*,*)变量名 PRINT*,变量或常数,关系式 WRITE(*,*)变量或常数,关系式赋值语句：将等式右边的变量取值赋予左边的变量。变量=变量、常数、关系式例：sum=sum+x算术运算：项运算：加(+)，减(-)，乘(*)，除(/)，乘方(*)。运算的优先顺序：加，减 乘，除 乘方，括号中优先()。单项运算：（例-a）数据类型：按定义有整数、实数、复数、双精度数等。,C-求两种平均値-PROGRAM Example_1_1 REAL a,b,av1,av2 READ(*,*)a,b av1=(a+b)/2 av2=sqrt(a*b)WRITE(*,*)av1,av2 END,2.1 Fortran程序简例,洛阳师范学院物理系,程序实例 基本语句程序特点,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序简例,一个Fortran程序由一个或若干个程序单位组成。主程序和辅程序分别是一个独立的程序单位。主程序单元起整体控制作用，各辅程序单元完成总问题中的一个子问题。每一个程序单位都是以END语句结束的。END既是一个程序单位的结束标志，又是一个独立的语句(结束语句)。主程序中的END语句的作用是使程序“停止运行”。辅程序中的END语句是“使流程返回调用程序”。Fortran程序中的语句可以有标号。一个语句有否标号是根据需要而定，其作用是标志一个语句以便被其它语句引用。在同一个程序单元中不能有两个相同标号的语句。标号不影响语句的执行顺序。但在F90中因为提倡结构化程序设计，一般不使用标号。F77源程序必须按固定格式书写，即源程序中哪些内容应写在一行中的哪一列(或哪几列上)有严格的规定。而F90可采用自由格式一个程序单位中各类语句的位置是有一定规定的。例如PROGRAM语句应是主程序的第一个语句。FUNCTION语句是函数子程序的第一个语句，END语句只能是程序单位中最后一行。程序中语句执行的顺序一般依照它们在程序中的先后位置而定。,洛阳师范学院物理系,程序实例基本语句程序特点,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序简例,一个程序单位包括若干行。F77行分为下面两类。F77规定，一行只能写一个语句，一行中不能写几个语句。如果一个语句太长，一行内写不下的话，可以写在继续行(要用“续行标志”)语句行。由一个Fortran语句组成，Fortran语句分为执行语句和非执行语句。执行语句使计算机在运行时产生某些操作，如赋值语句、打印语句等。非执行语句(包括说明语句，数据语句等)将有关信息通知编译系统，以便在编译时作出相应的处理，例如类型说明语句、函数子程序语句等。Fortran程序的基本成份是语句。非语句行，即注释行。它不是Fortran语句，它不被翻译成机器目标指令。不产生任何机器操作。它仅仅是为了人们阅读程序的方便而加到程序中的。一个程序中注释行的数目不受限制，根据需要而定。但一个程序单位不能只由注释行组成。注释行的内容完全是根据程序设计人员需要而写的，一般是为程序(或程序中一部分)的作用作注释以易于理解程序。,F90行不分类。注释可以写在任一行末尾，而且一行不限语句 数，可以将几个F77行合并写入一行。这样，极大地简化了程序写法，使得程序可以编写得更为清晰明了。因此F90的格式较F77有柔软性。,洛阳师范学院物理系,字符集 程序组成,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序的基本组成,FORTRAN 90源程序是一个符合FORTRAN 77/90词法、语法和语义规定的特殊文本,它由FORTRAN 77/90字符集规定的字符按照词法、语法和语义规定进行描述。,概述：,Fortran允许使用的字符如下：英文字母：A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 阿拉伯数字：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9特殊符号：空格=+-*/(),.:!%$?_(F90中新增的字符),其中“$”和“?”号在程序中没有确切意义。应当注意，在F77语句中不区分大小写字母，例如写READ和read或Read是一样的，其它变量名和函数名中，大、小写字母也是等价的。但早期的Fortran卡片不允许小写，故老的程序代码都是大写的，很多人也养成了大写的习惯。,洛阳师范学院物理系,字符集 程序组成 总体构造 程序单位 语句顺序 英文名 标号标签,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序的基本组成,程序总体构造:,Fortran90程序是一种分块形式的程序，整个程序由若干个程序模块组成。各模块都有相似的语句组织形式，其中主程序起整体控制作用，各辅程序模块各自完成问题中的一个算法。在解决一个比较复杂的问题时，先把求解的问题分解为若干相对独立的子算法，每一个子算法编为一个辅程序，然后按搭积木一样将各有关程序模块组成一个程序。主程序依次调用各辅程序模块，控制各子算法的实施，通过主程序对子程序的调用，形成程序的整体运行，完成问题的解。若某一子程序算法仍复杂，可再把它分解为若干更小的算法，分别编写为更低一层次的辅程序，由其他辅程序分别去调用。这种情况可以类推到其它子程序或更低一层次。所以，Fortran程序n个程序单位1主程序单位(0n-1)个子程序单位。在最简情况下,Fortran程序只由一个主程序构成而没有辅程序，所有算法都由主程序自身完成。按现代要求，即使功能比较简单的问题，也最好写成主程序调用辅程序的形式，以便于维护。,洛阳师范学院物理系,字符集 程序组成 总体构造 程序单位 语句顺序 英文名 标号标签,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序的基本组成,程序单位:,主程序 PROGRAM 程序名 语句可省略.END PROGRAM 程序名 END必须有辅程序(过程)SUBROUTINE 子程序 FUNCTION 函数 BLOCK DATA 块数据 MODULE 模块(F90)内部过程 CONTAINS(F90)程序单位是Fortran中的基本成分，包括主程序、辅程序、块数据单元和内部过程。辅程序可以是函数辅程序或子程序辅程序。模块中包含可由其他程序单位访问的各种实体。块数据单元用来对有名公用块的数据对象规定初始值。一个执行程序总是由一个主程序单位和任意个(可以为零)其他类型的程序单位组成，任何程序单位都不能调用主程序。MODULE过程在主程序中通过USE语句与之相联系。模块用于组装若干功能(如过程、类型定义、语义扩展等)为一集团，是F90中极具柔软性的程序单位，它取代了F77中的某些不安全的特性。BLOCK DATA辅程序的用处是定义全局常数或全局初始化，在F90中是不推荐使用的，其功能已被MODULE和USE取代。,洛阳师范学院物理系,字符集 程序组成 总体构造 程序单位 语句顺序 英文名 标号标签,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序的基本组成,程序体和语句顺序:,Fortran要求严格的语句顺序。在每个程序单位中，根据语句种类按如下的次序排列。F77中的顺序可简单归纳为：PROGRAM，FUNCTION，SUBROUTINE，BLOCK DATA等程序单位开始语句 变量类型和语句函数等定义语句(说明部分)执行语句，DATA语句，FORMAT语句(执行部分)END语句 在F90中将新增加的语句功能综合后，其顺序为：,洛阳师范学院物理系,字符集 程序组成 总体构造 程序单位 语句顺序 英文名 标号标签,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序的基本组成,英文名:,变量名和程序名等使用的英文名是由(F77：6；F90：31)个字符(包含英文字母A-Z、数字0-9、F90:下划线 _)构成，且第一个字符必须是字母。其英文名的有效使用范围原则上限于一个程序单位之内（内部过程除外）。例如：Fortran没有规定保留字，即可以用函数名或语句定义符作变量名。但为了避免混淆，建议不要使用Fortran中已有特定含义的字作变量名。如SIN是正弦函数的名字，如果有以下语句：SIN3.5PRINT*，SIN则语句中的SIN是变量名而不代表正弦函数。系统会根据它后面有无自变量而作出判断，又如：READ*，PRINT此时PRINT是一个变量名而不代表“打印输出”的操作。系统会认定语句的第个字READ为代表操作的语句定义符，而把PRINT作为READ语句中读数的变量。但在同一个程序单位(主程序或子程序分别是一个程序单位)中，变量名和函数名或语句定义符不能同名。,洛阳师范学院物理系,字符集 程序组成 总体构造 程序单位 语句顺序 英文名 标号标签,第一章 Fortran程序设计初步,2.1 Fortran程序的基本组成,标号和标签:,可在语句开头加上标号或标签，用于指定特定的语句。有效范围限于一个程序单位内。标号：1-5位的10进制整数，且至少一位不为0，前导0不起作用。F90中，不可对空语句加上语句标号。标签：英文名，后面接“:”（冒号）(F90)例：DO 10 k=1,100.10 CONTINUE例：(F90)DO k=1,100loop2:DO.END DO loop2!已有标签名时不能省略标签名。END DO,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,例1：INTEGER:1A!不是以字母开头INTEGER:A_name_made_up_of_more_than_31_letters!太长INTEGER:China:0!含有不允许的字符INTEGER:A-3!减号在此是无意义的例2：SIN3.5ASIN*SIN(2.0)PRINT*，PRINT,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,数据的输入：READ*语句执行时进入等待数据输入的状态。数个数据输入时以英文逗号、空格或换行符作区别，单个数据中间不能有空格。字符的输出：在执行READ语句时，计算机已经进入等待数据输入的状态，但它不会给出任何提示。除了程序员以外，谁也不会知道需要输入什么数据，即使是程序员自己可能也会忘记。另外，PRINT语句打印的数据到到底是什么物理含义也需指明。因此，需要输出文字内容。字符常量：用或括起来的文字字符。,例1.2 输入圆錐底面半径r和高h，求体积和表面积。,!-求圆錐体积和表面积-PROGRAM Example_1_2REAL:pi,r,h,v,s pi=3.141593 PRINT*,Input radius r and height h?READ*,r,h v=pi*h*r*2/3.0 s=pi*r*(r+sqrt(r*2+h*2)PRINT*,Volume=,v PRINT*,Area=,s END,洛阳师范学院物理系,常量 变量,第一章 Fortran程序设计初步,3.1 常量和变量类型,常量是指其值始终不变的一些量。整型、实型、双精度和复型常量是算数型常量，也为常数。五种内部数据类型常量:整型常量：整数。实型常量：实数性质。复型常量：复数说明。字符型常量：字符串。数组型逻辑型常量：逻辑值。其值只能为：.TRUE.（真）和.FALSE.（假）。,洛阳师范学院物理系,常量 变量,第一章 Fortran程序设计初步,3.1 常量和变量类型,变量是指在程序运行期间其值是可以变化的量。系统为程序中的每一个变量开辟一个存储单元，用来存放变量的值。常量是分为类型的，而变量是用来存放常量的，因此变量也相应地区分为整型变量INTEGER、实型变量REAL、双精度变量DOUBLE PRECISION、复型变量COMPLEX、逻辑型变量LOGICAL、字符型变量CHARACTER。在程序中应当说明哪些变量是整型变量，哪些变量是实型变量。在程序中规定变量的类型可以用以下几种方法。,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,隐含约定：Fortran规定，凡以字母I，J，K，L，M，N六个字母开头的变量名，如无另外说明则为整型变量。以其它字母开头的变量为实型变量。可以将这个隐含约定称为“IN规则”，表示用I到N之间的字母开头的变量为整型。例如：I，J，IMAX，NUMBER，LINE，JOB，Kl为整型变量，而A，Bl，COUNT，AMOUNT，TOTAL，BOOK为实型变量。类型指定：如果想改变“IN规则”对变量类型的约束，可以用类型说明语句专门指定某些变量的类型。Fortran中有六个类型说明语句：(1)INTEGER语句(整型说明语句)(2)REAL语句(实型说明语句)(3)DOUBLE PRECISION语句(双精度说明语句)(4)COMPLEX语句(复型说明语句)(5)LOGICAL语句(逻辑型说明语句)(6)CHARACTER语句(字符型说明语句),洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,IMPLICIT语句(隐含说明语句)指定：可以用IMPLICIT语句将某一字母开头的全部变量指定为所需的类型，还可以用一个IMPLICIT语句同时指定几种类型。例如：IMPLICIT INTEGER(A，C，T-V)IMPLICIT REAL(I，J)IMPLICIT INTEGER(A，B)，REAL(I,K)，INTEGER(X-Z),洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,注：(1)以上三种方法中，以类型说明语句最优先，IMPLICIT语句次之，“IN规则”的隐含约定级别最低。如下程序中IMAX变量为整型，而其它以I、J开头的变量为实型：IMPLICIT REAL(I，J)INTEGER IMAX(2)类型说明语句和IMPLICIT语句是非执行语句。(3)类型说明只在本程序单位内有效。(4)IMPLICIT语句和类型说明语句应该出现在本程序单位中的所有执行语句之前，其中IMPLICIT语句又应在所有的类型说明语句之前,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,实数有四个性质:实数可写成小数形式实数,也可写成指数形式实数。实数写成指数形式实数可有多种等价写法,如1.2345E1和0.12345E2为同一实数。指数形式实数的指数部分决定小数点的位置,指数部分为正,表示小数点向右移动若干位,指数部分为负,表示小数点向左移动若干位。指数形式实数数值部分决定有效数字位数(即精度),超出有效数字位数,将产生误差。指数部分决定实数大小。,实数性质,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,复数语法和表示,复数语法(,)复数表示 代数表示:12.5+23.4i F90表示:(12.5,23.4),洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,字符型：1个字符为1字节（中文系统中为2字节）。用(F90：)围起来的字符串。例：Im a boy.（長为10字节）Im a boy.（長为10字节）数 组：这不是一种单独的类型，可把同类型的常量用一维维数括起来表示：(/常量，常量，.，常量/)。(F90),洛阳师范学院物理系,示例 注意,第一章 Fortran程序设计初步,3.1 内在函数,Fortran解题往往要用到一些专门运算。如求三角函数sinx，cosx，开根，绝对值，对数，指数，求一组数中最大数和最小数等。Fortran提供了一些系统内在函数来完成这些运算。程序设计者不必自己设计进行这些运算的语句组（即程序段或子程序），只需写出一个函数的名字以及结出一个或若干个自变量，就可以得到所需的值。例如：SQRT(4.0)SIN(2.0)2(弧度)的正弦值 注意三角函数中 的自变量单位为弧度！EXP(3.5)LOG(3.0)常用的Fortran77函数如下表所示。,洛阳师范学院物理系,示例 注意,第一章 Fortran程序设计初步,3.1 内在函数,一个内在函数可要求一个或多个自变量 例如，SQRT函数只能有一个自变量，而MOD函数要求两个自变量，MAX和MIN函数要求两个以上自变量。注意当自变量个数规定为2个时，自变量的顺序不应任意颠倒，如MOD(8,3)表示8被3除的余数，其值为2，而MOD(3,8)则表示3被8除的余数，其值为3。当自变量个数为2时，自变量的顺序无关。函数的自变量是有类型的，函数值也是有类型的 例如MOD(8,3)中自变量8和3是整型，函数MOD(8,3)的值“2”也是整型，如果写成MOD(8.0,3.0)，自变量是实型的，函数值也是实型的，其值为2.0。函数名分为“通用名”和“专用名”例如求余函数的“通用名”为MOD，“专用名”有两个(MOD，DMOD)。根据自变量的类型就自动确定了函数值的类型，如MOD(8,3)的值为整型，而MOD(8.0,3.0)的值为实型。当调用子程序时如果用内在函数作为自变量(实参)，必须使用该内在函数的专用名。,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,洛阳师范学院物理系,运算符 优先次序表达式,第一章 Fortran程序设计初步,3.2 算术表达式,FORTRAN规定可以使用五种算术运算符号：+表示“加”(或正号)-表示“减”(或负号)*表示“乘”/表示“除”*表示“乘方”,请注意：乘号用“*”表示，不能写成“”，以免与字母“X”混淆，也不能用“.”代替乘号。除号不能用“”号。两个运算符不能紧邻，如A*-B是不合法的，应写成A*(-B)。,洛阳师范学院物理系,运算符 优先次序表达式,第一章 Fortran程序设计初步,3.2 算术表达式,不同的运算符按以下优先级次序：加，减 乘，除 乘方，括号（）中优先。同一优先级的两个运算，乘方按“先右后左”，其它按“先左后右”原则。,例：x+y*z x+(y*z)x*y*2 x*(y*2)x/y/z(x/y)/z x*y*z x*(y*z)3+5-6.0*8.0/4*2 3548.0/16.0=5例：4b分之a a/(4*b)或 a/4/b，而a/4*b 和 a/4b是错误的。如无自信时可用括号（），对运算时间几乎无影响。,洛阳师范学院物理系,运算符 优先次序表达式,第一章 Fortran程序设计初步,3.2 算术表达式,表达式是指一个或多个运算的组合。它是由Fortran的运算符和括号将各运算元素(包括常量、变量、函数、数组元素)连结起来的一个有值的式子,注意：(1)由于用“/”号作为除号，因此在写除法运算式子时应加上必要的括号。(2)乘号不能省略，如，必须写成A*SIN(X)，而不能写成ASIN(X)。(3)Fortran中无大、中、小括号之分，一律用小括号。(4)乘方按“先右后左”原则处理。(5)对单项运算符(如-A中的符号)相当于在它前面有一个运算量“0”，如：A*2相当于0-A*2而非(-A)*2。,Fortran算术表达式的求值运算中的优先次序以及类型 括号 函数*/，即括号内的运算级别最高，加减最低。例如，SQRT(3.*2)*2,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,表达式运算中的类型,同类型的算术量之间运算的结果仍保持原类型。特别要注意：两个整数相除的商也是整数。例如，5/2的值是2而不等于2.5，4*(-1)等于0，应写为5*(1./3.)而非5*(1/3)。如果参加运算的两个算术量为不同类型，则编译系统会自动将它们转换成同一类型后进行运算。转换的规律是：将低级类型转换成高级类型。类型的级别如下：整型(低)实型(高)。类型的转换是从左向右进行的，在遇到不同类型的算术量时才进行转换。例如：1/2*1.0等于0，而1./2*1对于0.5。,洛阳师范学院物理系,第一章 Fortran程序设计初步,如果类型不同，则应先进行表达式的求值，然后将该表达式的值转换为被赋值变量的类型。如：I3.5*2.1表达式3.5*2.1的值为7.35，实型。又如:T3*5/7表达式的值为2，整型。,变量I为整型，因此I的值等于7。,由于T为实型，故系统先将整数2转换成实数2.0，再赋给变量T，T的值为2.0。,当赋值号两侧的类型不同时，往往会产生程序设计者事先预想不到的结果。所以在编写程序时，应尽可能使贼值号两侧保持同类型。,洛阳师范学院物理系,语句排列次序表,第一章 Fortran程序设计初步,