Fortran 入门教程

Fortran 是什么，谁在用

Fortran（“公式翻译”，formula translation）由 John Backus 领导的团队在 20 世纪 50 年代于 IBM 开发，是仍在积极使用的最古老的编程语言之一。它由 ISO 标准化，主要修订版本有 Fortran 90、95、2003、2008、2018 和 2023。旧的固定格式风格（大写的 FORTRAN 77，代码从第 7 列开始）仍然可以编译，但新代码使用这里展示的自由格式语法。

Fortran 用于大量数值计算的场景：天气和气候模型、计算流体力学、物理和化学模拟，以及许多在超级计算机上运行的程序。NumPy 和 MATLAB 等工具底层使用的 BLAS 与 LAPACK 线性代数库，其参考实现就是用 Fortran 写的。

安装编译器并运行 Hello, world

gfortran 是 GCC 的一部分，免费，可用于 Linux（软件包 gfortran）、macOS（Homebrew 的 gcc）和 Windows（MSYS2 或 WSL）。Intel 的 ifx 和 LLVM Flang 是其他编译器。Fortran 包管理器（fpm）可以创建和构建项目。

program hello
  implicit none
  print *, "Hello, world!"
end program hello

gfortran hello.f90 -o hello
./hello
#  Hello, world!

print * 使用列表导向输出，由系统为你选择间距（注意开头的空格）。Fortran 不区分大小写：PRINT、Print 和 print 是一样的。

变量与基本类型

所有声明都放在程序单元的开头，在可执行语句之前。务必写上 implicit none：没有它，以 I 到 N 开头的未声明名字会被悄悄当作整数，其余的则是实数。

program types
  use, intrinsic :: iso_fortran_env, only: int64, real64
  implicit none
  integer :: count = 3
  integer(int64) :: big = 9000000000_int64
  real(real64) :: third
  logical :: done = .false.
  character(len=:), allocatable :: name

  third = 1.0_real64 / 3.0_real64
  name = "Ana"
  print *, count, big, third, done, name
end program types

后缀 _real64 设置字面量的 kind（精度）。没有它，1.0 是单精度常量，赋给双精度变量时会丢失有效数字。

控制流

program control
  implicit none
  integer :: i, total, score

  total = 0
  do i = 1, 10
    if (mod(i, 2) == 0) cycle   ! skip even numbers
    total = total + i
  end do
  print *, "sum of odd numbers:", total   ! 25

  score = 85
  if (score >= 90) then
    print *, "A"
  else if (score >= 80) then
    print *, "B"
  else
    print *, "C"
  end if

  select case (score)
  case (90:)
    print *, "excellent"
  case (80:89)
    print *, "good"
  case default
    print *, "keep going"
  end select
end program control

do i = 1, 10 包含两端，可选的第三个值设置步长（do i = 10, 1, -1）。cycle 跳到下一次迭代，exit 离开循环。也可以使用 do while (condition)，以及带 exit 的普通 do。注释以 ! 开头。

函数、子程序与模块

Fortran 有两种过程：函数返回一个值，用在表达式中；子程序用 call 调用，通过参数返回结果。请把过程放进模块，这样编译器就能检查每一次调用。

module geometry
  implicit none
contains
  function circle_area(r) result(a)
    real, intent(in) :: r
    real :: a
    a = 3.14159 * r**2
  end function circle_area

  subroutine swap(a, b)
    integer, intent(inout) :: a, b
    integer :: tmp
    tmp = a
    a = b
    b = tmp
  end subroutine swap
end module geometry

program demo
  use geometry
  implicit none
  integer :: x, y
  x = 1
  y = 2
  print *, circle_area(2.0)   ! about 12.566
  call swap(x, y)
  print *, x, y               ! 2 1
end program demo

参数按引用传递，所以过程可以改变调用者的变量。intent(in)、intent(out) 和 intent(inout) 说明并强制规定每个参数能做什么。** 是乘方运算符。

数组：Fortran 的标志性特性

数组是 Fortran 的核心。索引默认从 1 开始（允许任意下界），算术运算无需循环就能作用于整个数组，切片使用 a(start:end)，许多内置函数可以直接对数组操作。

program arrays
  implicit none
  integer :: i
  real :: a(5), b(5)
  real, allocatable :: c(:)
  integer :: m(2, 3)

  a = [(real(i), i = 1, 5)]   ! 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
  b = 2.0 * a + 1.0           ! whole-array arithmetic
  print *, b(2:4)             ! 5.0 7.0 9.0
  print *, sum(a), maxval(b)  ! 15.0 11.0

  allocate(c(10))
  c = 0.0
  print *, size(c)            ! 10
  deallocate(c)

  m = reshape([1, 2, 3, 4, 5, 6], [2, 3])
  print *, m(2, 1)            ! 2 (column-major order)
end program arrays

多维数组按列优先顺序存储：第一个索引在内存中变化最快，与 C 相反。为了速度，让最内层循环遍历第一个索引。其他有用的内置函数有 matmul、dot_product、transpose、minval 和 count。现代 Fortran 还提供 do concurrent 循环和 coarray，用于并行程序。

错误处理

Fortran 没有异常。可能失败的语句接受一个状态参数：输入输出用 iostat，allocate 用 stat。检查它的值并做出反应；如果省略，出错时程序会终止。error stop 以错误结束程序。

program parse
  implicit none
  character(len=20) :: text
  integer :: n, ios

  text = "abc"
  read(text, *, iostat=ios) n
  if (ios /= 0) then
    print *, "not a number: ", trim(text)
  else
    print *, "n =", n
  end if
end program parse

像上面这样从字符变量中读取，称为内部读取，是把字符串转换为数字的常用方式。

一个完整的小程序：平均值与标准差

module stats
  implicit none
  integer, parameter :: dp = kind(1.0d0)
contains
  pure function mean(x) result(m)
    real(dp), intent(in) :: x(:)
    real(dp) :: m
    m = sum(x) / size(x)
  end function mean

  pure function std_dev(x) result(s)
    real(dp), intent(in) :: x(:)
    real(dp) :: s
    s = sqrt(sum((x - mean(x))**2) / (size(x) - 1))
  end function std_dev
end module stats

program main
  use stats
  implicit none
  real(dp) :: values(5)
  values = [2.0_dp, 4.0_dp, 4.0_dp, 5.0_dp, 7.0_dp]
  print '(a, f6.3)', "mean    = ", mean(values)
  print '(a, f6.3)', "std dev = ", std_dev(values)
end program main
! mean    =  4.400
! std dev =  1.817

x(:) 声明是假定形状数组，所以这些函数可以接受任意长度的数组。pure 保证函数没有副作用。格式 '(a, f6.3)' 打印一个字符串，后面跟一个宽 6 个字符、保留 3 位小数的实数。

接下来读什么

• fortran-lang.org：Learn 部分有快速入门教程和最佳实践。
• GNU Fortran（gfortran）手册，介绍编译器选项和内置过程。
• 试试 Fortran 包管理器（fpm），用它创建项目并使用 Fortran 标准库（stdlib）等库。
• 学习时带上警告和运行时检查来编译，例如 gfortran -Wall -fcheck=all。