Fortran 语言简介

Fortran 语言简介

Fortran（FORmula TRANslation）是由 IBM 于 1957 年开发的最早的高级编程语言之一，最初用于科学计算和工程领域中的数值计算。它因其高效的编译性能和优化的数值计算能力，至今仍被广泛应用于科研和高性能计算（HPC）。Fortran 的语法严谨、执行效率高，是处理复杂数值计算的理想选择。随着时间的推移，Fortran 语言经历了多次版本迭代和功能扩展，逐渐引入了现代编程语言的许多特性，如并行处理、面向对象编程等。

Fortran 的主要版本及差异

1. Fortran I (1957)

Fortran I 是 Fortran 语言的第一个版本，由 IBM 设计，用于 IBM 704 计算机。它使得科学家和工程师可以使用高级语言进行数学计算。

• 特性：
  • 基础的算术操作、简单的条件语句。
  • 早期的编译器能够执行一些基本的优化，如循环展开。
• 局限性：没有子程序、函数和复杂的数据结构支持，且功能十分有限。

2. Fortran II (1958)

Fortran II 引入了子程序，使得代码的模块化和重用成为可能。

• 新特性：
  • 支持子程序（Subroutine）和函数。
  • 支持简单的递归。

3. Fortran IV (1962)

Fortran IV 是 Fortran 语言的重要改进版本，针对子程序调用、数据类型和输入输出进行了标准化。

• 新特性：
  • 引入了逻辑（LOGICAL）数据类型和更多的数学函数。
  • 子程序、函数和 I/O 操作标准化。
• 影响：这一版本在科学计算中得到了广泛应用，并为后续版本打下了基础。

4. Fortran 66 (1966)

Fortran 66（ANSI Fortran 66）是第一个正式标准化的 Fortran 版本，它的出现解决了跨平台的兼容性问题，使得不同厂商的 Fortran 编译器可以统一标准。

• 新特性：
  • 标准化了子程序、数组、输入输出操作。
  • 支持静态数组、子程序调用。

5. Fortran 77 (1977)

Fortran 77 是最广泛使用的 Fortran 版本之一，对字符处理、逻辑控制和数组操作进行了显著改进。

• 新特性：

  • 引入了字符数据类型（CHARACTER）。
  • 支持 IF-THEN-ELSE 结构化条件控制语句。
  • 改进了数组处理，支持动态数组。

• 影响：Fortran 77 成为工程计算和高性能计算领域的主流编程语言，许多遗留代码和项目至今仍然基于 Fortran 77。

6. Fortran 90 (1991)

Fortran 90 是 Fortran 语言的一个重要里程碑，它标志着语言的现代化，加入了许多现代编程语言的特性，如模块化、动态数组、递归等。

• 新特性：

  • 支持模块（MODULE）系统，实现代码的封装和复用。
  • 引入动态数组和数组切片操作。
  • 支持指针和动态内存管理。
  • 提供了递归函数支持和参数化类型。

• 影响：Fortran 90 的发布使 Fortran 语言更加灵活，适合更复杂的科学和工程计算。

7. Fortran 95 (1997)

Fortran 95 是对 Fortran 90 的小幅改进，优化了数组操作和并行计算特性，并修正了一些标准中的不足。

• 新特性：
  • 引入了 FORALL 和 WHERE 等并行数组操作。
  • 支持并行化操作符。

8. Fortran 2003 (2004)

Fortran 2003 是 Fortran 语言的重要发展版本，引入了面向对象编程（OOP）的支持，并增加了与 C 语言的互操作性。

• 新特性：

  • 支持类和对象，允许用户定义类型继承和多态（TYPE, EXTENDS, POLYMORPHISM）。
  • 支持 C 语言互操作性（通过 ISO_C_BINDING 模块）。
  • 引入泛型编程、异常处理（TRY-CATCH）机制。

• 影响：Fortran 2003 使得 Fortran 可以处理更复杂的应用场景，并且增强了与其他语言的协作能力，尤其是与 C 的互操作性，使得 Fortran 能够嵌入到现代混合编程环境中。

9. Fortran 2008 (2010)

Fortran 2008 版本主要聚焦于并行计算的增强，同时增加了一些 I/O 操作的扩展。

• 新特性：

  • 引入了 Coarray 特性以支持并行编程。
  • 增强了 I/O 功能，包括异步 I/O。
  • 改进了数组操作和自动并行化支持。

• 影响：Fortran 2008 进一步加强了其在高性能并行计算中的竞争力，尤其在多核计算和分布式系统中的应用更加广泛。

10. Fortran 2018 (2018)

Fortran 2018 是最新的标准版本，进一步提升了并行处理的能力，尤其是 Coarray 并行模型的支持。

• 新特性：

  • 引入新的并行编程结构，改进了 Coarray 模型，提升性能。
  • 增强了与 C 语言的兼容性，特别是与多核并行化计算模型的集成。

• 影响：Fortran 2018 将 Fortran 的并行计算能力推向新的高度，使得其在大规模高性能计算中更加实用。

现代 Fortran

现代 Fortran 指的是从 Fortran 90 及之后的版本，它们逐渐引入了现代编程语言的诸多特性，增强了 Fortran 在现代计算环境中的适应性。

现代 Fortran 的关键特性：

• 模块化：从 Fortran 90 开始引入模块化编程，允许代码封装和重用，提高了代码的可维护性。
• 面向对象编程：Fortran 2003 引入了 OOP 支持，允许用户定义类型、继承和多态，使得 Fortran 也可以处理更复杂的数据结构和逻辑。
• 并行计算：自 Fortran 95 开始，Fortran 逐渐增强了对并行计算的支持，特别是 Fortran 2008 引入了 Coarray 语法，使并行编程变得更加自然。

现代 Fortran 的优点：

• 适用于科学计算和高性能计算场景。
• 对大规模并行和向量化计算有良好的支持。
• 高度优化的编译器，能够生成高效的机器代码。

Fortran 版本的兼容性

Fortran 的每个版本基本都保持了向后兼容性，意味着新版本的 Fortran 可以继续运行早期版本编写的代码。这对于科学计算和工程领域尤为重要，因为许多遗留代码和项目仍然基于 Fortran 77 或更早的版本。

• Fortran 77 与 Fortran 90 的兼容性：大部分 Fortran 77 程序可以直接在 Fortran 90 编译器中运行，尽管 Fortran 90 引入了新的语法和功能，但旧的编程结构仍然有效。

• Fortran 90 及以后版本的兼容性：Fortran 90 之后的版本保持了良好的兼容性，Fortran 95 程序可以在 Fortran 2003 及以后的编译器中运行，并且现代 Fortran 支持遗留代码和新功能共存。

不过，随着 Fortran 引入更多现代化特性，某些旧的非标准用法可能需要调整才能在新的版本中运行。总体来说，Fortran 的设计使得它在不断进化的过程中依然保持高度的向后兼容性。

结语

Fortran 语言通过多个版本的演进，从最初的面向过程语言逐渐发展为支持现代编程范式的强大工具，特别是在高性能计算和科学计算领域依然占据重要地位。现代 Fortran 通过引入模块化、面向对象编程、并行处理等特性，使其能够适应当前复杂的计算任务。随着 Fortran 2018 的推出，Fortran 继续保持其在大规模并行计算领域的优势，并在科学计算和工程计算中保持

广泛应用。