В 1955 году увидел свет первый алгоритмический язык высокого уровня FORTRAN
(FORmula TRANslator – транслятор формул). Он использовался в основном для решения научно-технических и инженерных задач, а разработали его сотрудники фирмы IBM под руководством Джона Бэкуса
. Чуть позже, в 1957 году, Джон Бэкус и его сотрудники установили в IBM (Beстингхауз) первый компилятор языка Фортран. Программисты, ранее работавшие исключительно на Ассемблере, скептически относились к возможностям высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке стандартов на Фортран и создания компиляторов с этого языка была эффективность исполняемого кода. Кстати, термин "компилятор" тогда еще широко не использовался, хотя уже был введен Грейс Хоппер – единственной в США женщиной-адмиралом, которую называли также "первой леди программирования и бабушкой Кобола".
Большинство операторов Фортрана транслировались непосредственно в одну–две машинные команды, простые синтаксические конструкции и активное использование меток и goto позволяло получить очень быстрый код, и в результате программы на Фортране подчас работали быстрее ассемблерных. Сама внутренняя структура оттранслированной программы была также очень простой – весь код, все подпрограммы и все данные вместе с общим блоком размещались исключительно в статической памяти, из-за чего, правда, невозможно было использовать рекурсию.
Поскольку Фортран был первым языком высокого уровня, отвечающим нуждам большинства пользователей того времени, да еще и простым в изучении, распространился он очень быстро.
Из-за широкого распространения этого языка и появления множества Фортран-программ (преимущественно вычислительного характера) насущным стал вопрос его стандартизации. Сначала это был стандарт Fortran IV
1964 года, затем, по мере появления новых идей, в 1978 году был принят новый стандарт Fortran 77
(f77) с большим числом более современных и гибких синтаксических расширений. Сегодня наиболее распространенным вариантом Фортрана являются Fortran 90
(f90) и Fortran 95
. Группа энтузиастов заканчивает работу над суперверсией языка F2k, которая будет опубликована в этом году.
Хотя в новые версии языка вносились подчас как ненужные дополнения (например, расширения, связанные с динамической аллокацией памяти), так и полезные, типа модульной организации программы, работы с частями массивов и др., сегодня этот язык нельзя назвать перспективным для изучения, так как синтаксис его значительно устарел.
Однако тем, кому довольно часто приходится решать различные вычислительные задачи, совсем не обязательно каждый раз брать в руки учебник по математике и "начинать с нуля". В 90% подобных случаев то, что вы ищете, уже давно реализовано и отлажено на Фортране. Поэтому, скорее всего, жизнь Фортрану обеспечена надолго.
Есть и еще одна, сравнительно молодая ниша для Фортрана – параллельные вычисления, где строгая семантика языка позволяет получать высокопроизводительные программы. Обычно используется стандарт f90, немного расширенный набором операторов для указания пригодных к распараллеливанию частей программы. Параллельный Фортран имеет свой стандарт HPF
(High Performance Fortran). Тем не менее фанаты Фортрана, девизом которых стала легендарная фраза "Зачем мне изучать другие языки, когда я могу всё написать на Фортране", ощущали его очевидную непригодность для крупномасштабных проектов, связанную с привязанностью к синтаксису 50-х годов, и пытались ввести в него модные идеи ООП, но объектный Фортран в качестве стандарта так и не появился.
Среди бесплатно распространяемых версий Фортрана наиболее известен f2c, реализованный для всех UNIX-систем и преобразующий текст Фортран-программы в Си-код. Для DOS имеется версия bcf77, распространяемая бесплатно. Из коммерческих версий в первую очередь надо отметить Microsoft Fortran, позволяющий создавать dll-библиотеки, и Watcom Fortran, генерирующий высокоэффективный код. Для задач, требующих высокой точности вычислений, предназначен компилятор фирмы MicroWay. А вообще различные по качеству компиляторы Фортрана имеются на абсолютно всех компьютерных платформах.
Однако основная заслуга Фортрана в другом. Когда появилась необходимость в разработке очень крупных проектов, недостатки Фортрана, связанные в первую очередь с "тяжелой" отладкой, стали излишне обременительны. Поэтому Фортран послужил сильнейшим стимулом для развития теории отладки и тестирования программ. Появились сотни синтаксических верификаторов Фортран-текстов, вылавливающих скрытые логические ошибки. В дальнейшем из этого направления выросли такие теоретические области программирования, как эквивалентные оптимизирующие преобразования программ, высокоуровневая компиляция, автоматическое тестирование и т.д. Так что про Фортран забывать никак нельзя. Использовать его в качестве инструментария в задачах системной интеграции, наверное, не имеет смысла, но то, что было наработано лучшими программистами за 30–40 лет, вполне может ускорить процесс разработки. По крайней мере, программных "кирпичиков" для Фортрана ныне существует несравненно больше, чем для других языков программирования. ■
* * *
Джон Бэкус
родился 3 декабря 1924 в Филадельфии, штат Пенсильвания, в богатой семье, детские годы провел в Вилмингтоне. Закончив школу в 1942 году, он поступил в университет штата Вирджиния на химический факультет (по настоянию отца-химика), но спустя некоторое время перестал заниматься и в 1943 году был призван на военную службу.
Бэкус начинал служить в бригаде противовоздушной обороны в форте Stewart, штат Джорджия, но впоследствии был направлен в колледж для изучения медицины.
Некоторое время он с увлечением работал в городской больнице, но в 1946 году охладел к этой работе, оставил армию и переехал в Нью-Йорк, хотя не знал за что браться и как жить дальше.
Через некоторое время Бэкус поступил в школу подготовки радиотехников. "У меня был очень хороший преподаватель, и он попросил, чтобы я вычислил характеристики некоторых схем. Это было страшно утомительно, но крайне интересно".
Вскоре Бэкус поступил в Колумбийский университет (Нью-Йорк), чтобы изучать математику, где и получил высшее образование (1949 г.). Незадолго перед тем, как закончить обучение, он посетил компьютерный центр IBM
на Мэдисон Авеню. И здесь удача во второй раз улыбнулась ему – в 1950 году Бэкус стал программистом компании IBM.
О доминировании IBM в компьютерной индустрии впервые заговорили в 1952 году. Всё началось с модели 701, известной также под именем Defence Calculator (оборонный вычислитель). Сразу после выпуска модели 701 специалисты подразделения прикладных исследований приступили к ее совершенствованию (1955–1956 годы).
Наиболее серьезные изменения предложил внести Джон Бэкус, впоследствии принимавший активное участие в создании компьютера 704. В частности, благодаря ему появилась технология так называемого "ускоренного кодирования" (speed-coding), позволившая заметно упростить написание программ для 701. "Возможность ускоренного формирования кода для машины 701, которая представляла собой одноадресный компьютер с фиксированной запятой без индексных регистров, превратила ее в систему с плавающей запятой, произвольной адресацией и индексными регистрами, – вспоминал Бэкус. – Таким образом, пользователям больше не нужно было мучиться с двоичным кодом".
Уже тогда появились первые компоненты технологии быстрого написания программ, которая используется сегодня. Фактически данная система стала предшественницей аналогичных комплексов, которые были выпущены в 50–60 годах и впоследствии вытеснены языками высокого уровня.
А в 1955 году Бэкус "изобрел" Фортран, первый машинный язык высокого уровня. Впоследствии, вспоминая этот период, Бэкус скажет: "Мы не знали, к чему стремиться, и не знали, как это сделать". Первоначально все работы планировалось завершить в начале 1954 года, однако разработка языка завершилась практически через два года.
Первая версия компилятора состояла из 25000 строк машинного кода, записанного на магнитной ленте. Каждая IBM 704 обеспечивалась копией программы с руководством по программированию на 51 странице.
В 1959 году Бэкус разработал грамматические правила для описания синтаксиса языков высокого уровня (нормальная форма Бэкуса-Наура, сокращенно БНФ).
В 1976 году Джон Бэкус был награжден Национальной медалью за вклад в науку, а с 1991 года перестал заниматься компьютерной тематикой.
Владимир Буслаев
OCR: fir-vst, 2016
История создания языка программирования Фортран. Существующие стандарты. Версия языка программирования Фортран.
Программы для первых ЭВМ программисты писали на языках машинных команд. Это очень трудоемкий и длительный процесс. Проходило значительное время между началом составления программы и началом ее использования. Решить эту проблему можно было лишь путем создания средств автоматизации программирования.
Первыми "инструментами", которые экономили труд программистов, стали подпрограммы. В августе 1944 года для релейной машины "Марк-I" под руководством Грейс Хоппер (женщина-программист, морской офицер ВМФ США) была написана первая подпрограмма для вычисления sinx.
Не одну Грейс Хоппер волновала проблема облегчения труда программистов. В 1949 году Джон Моучли (один из создателей ЭВМ ENIAC) разработал систему SHORT Code, которую можно считать предшественницей языков программирования высокого уровня. Программист записывал решаемую задачу в виде математических формул, преобразовывал формулы в двухбуквенные коды. В дальнейшем специальная программа переводила эти коды в двоичный машинный код. Таким образом, Дж. Моучли разработал один из первых примитивных интерпретаторов. А в 1951 году Г. Хоппер создала первый компилятор А-0. Ею же впервые был введен этот термин.
Первые языки высокого уровня: Кобол и Фортран
В 50-е годы прошлого века группа под руководством Г. Хоппер приступила к разработке нового языка и компилятора В-0. Новый язык
позволил бы программировать на языке, близком к обычному английскому. Разработчики языка выбрали около 30 английских слов, для распознавания которых Г. Хоппер придумала способ, сохранившийся в операторах будущих языков программирования: каждое слово содержит неповторимую комбинацию из первой и третьей букв. Благодаря этому компилятор при создании машинного кода программы может игнорировать все остальные буквы в слове.
Необходимость появления такой системы, язык которой приближен к разговорному, Г. Хоппер связывала с тем, что область применения ЭВМ будут расширяться, в связи с чем будет расти и круг пользователей. По словам Г. Хоппер, следует оставить попытки "превратить их всех в математиков
".
В 1958 году система В-0 получила название FLOW-MATIC и была ориентирована на обработку коммерческих данных. В 1959 году был разработан язык COBOL (Common Business Oriented Language) (Кобол) машинно независимый язык программирования
высокого уровня для соответствующим транслятором с этого языка. Консультантом при создании языка COBOL вновь выступила Г. Хоппер.
В 1954 году публикуется сообщение о создании языка FORTRAN (FORmula TRANslation) (Фортран). Местом рождения языка стала штаб-квартира фирмы IBM в Нью-Йорке. Одним из главных разработчиков является
Джон Бэкус. Он же стал автором НФБ (нормальная форма Бэкуса), которая используется для описания синтаксиса многих языков программирования. В тот же период в европейских странах и в СССР популярным становится язык ALGOL. Как и FORTRAN, он ориентировался на математические задачи. В нем была реализована передовая для того времени технология программирования структурное программирование.
Фортран в СССР.
Фортран в СССР появился позже, чем на Западе, поскольку поначалу у нас более перспективным языком считался Алгол. Во внедрении Фортрана большую роль сыграло общение советских физиков со своими коллегами из CERN, где в 1960-х годах почти все расчёты велись с использованием программ на Фортране.
Первый советский компилятор с Фортрана был создан в 1967 г. для машины «Минск-2», однако он не получил большой известности. Широкое внедрение Фортрана началось после создания в 1968 г. компилятора ФОРТРАН-ДУБНА для машины БЭСМ-6. Машины ЕС ЭВМ, появившиеся в 1972 г., уже изначально имели транслятор Фортрана («позаимствованный» с IBM/360 вместе с другим программным обеспечением).
Стандарты
Язык подвергался стандартизации в рамках ANSI и ISO
Были разработаны стандарты - Фортран 66, Фортран 77, Фортран 90, Фортран 95, Фортран 2003 и Фортран 2008.
Стандартизация языков программирования создает предпосылки для повышения мобильности программного обеспечения для компьютеров любой архитектуры. Стандартизация Фортрана является одной из причин долгожительства языка, так как именно благодаря стандартизации обеспечена возможность использования огромного фонда прикладных программ, которые созданы за десятилетия существования языка.
Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Существует несколько международных стандартов языка:
FORTRAN IV (позже положенный в основу FORTRAN 66 (1966);
FORTRAN 77 (1978) множество улучшений: строковый тип данных и функции для его обработки, блочные операторы IF, ELSE IF, ELSE, END IF, оператор включения фрагмента программы INCLUDE и т. д.
Fortran 90 (1991) значительно переработан стандарт языка. Введён свободный формат написания кода. Появились дополнительные описания IMPLICIT NONE, TYPE, ALLOCATABLE, POINTER, TARGET, NAMELIST; управляющие конструкции DO … END DO, DO WHILE,CYCLE , SELECT CASE, WHERE; работа с динамической памятью (ALLOCATE, DEALLOCATE, NULLIFY); программные компоненты MODULE, PRIVATE, PUBLIC, CONTAINS, INTERFACE, USE, INTENT. Появились новые встроенные функции, в первую очередь, для работы с массивамив языке появились элементы ООП
Fortran 95 (1997) - коррекция предыдущего стандарта Fortran 2003 (2004)дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой Введён оператор и конструкция FORALL, позволяющие более гибко, чем оператор и конструкция WHERE, присваивать массивы и заменять громоздкие циклы. FORALL позволяет заменить любое присваивание сечений или оператор и конструкцию WHERE, в частности, обеспечивает доступ к диагонали матрицы. Данный оператор считается перспективным в параллельных вычислениях, способствуя более эффективному, чем циклы, осуществлению распараллеливания.
Fortran 2003 (2004) Дальнейшее развитие поддержки ООП в языке. Взаимодействие с операционной системой. Добавлены также следующие возможности: 1. Асинхронный ввод-вывод данных 2. Средства взаимодействия с языком. 3. Усовершенствование динамического размещения данных. Fortran 2008 (2010) Стандартом предполагается поддержка средствами языка параллельных вычислений (Co-Arrays Fortran). Также предполагается увеличить максимальную размерность массивов до 15, добавить встроенные специальные математические функции и др.
Версия языка программирования Фортран
Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает активно использоваться. Имеется стандартная версия Фортрана WF(High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров с множеством процессоров.
Cobol (Кобол). Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес задач, разработанный в начале 60-х годов. Он отличается большой «многословностью» - его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сегодня.
Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был призван заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В 1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.
Pascal (Паскаль). Язык Паскаль, созданный в конце 70-х годов основоположником множества идей современного программирования Никлаусом Виртом, во многом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании крупных проектов.
Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы, а по популярности он занимает первое место в мире. Он создавался в 60-х годах в качестве учебного языка и очень прост в изучении. Это один из перспективных языков программирования.
С (Си). Данный язык был создан в лаборатории Bell и первоначально не рассматривался как массовый. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффективные и компактные программы, и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора. На этом языке в 70-е годы написано множество прикладных и системных программ и ряд известных операционных систем (Unix).
Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей. Но главная особенность этого языка - компиляция не в машинный код, а в платформно независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора - виртуальной Java-машины (Java Virtual Machine), версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию множества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода, поэтому по популярности язык Ява сегодня занимает второе место в мире после Бейсика.
В последнее время получили распространение системы программирования, ориентированные на создание Windows-приложений :
· пакет Borland Delphi (Дельфи) - блестящий наследник семейства компиляторов Borland Pascal, предоставляющий качественные и очень удобные средства визуальной разработки. Его исключительно быстрый компилятор позволяет эффективно и быстро решать практически любые задачи прикладного программирования.
· пакет Microsoft Visual Basic - удобный и популярный инструмент для создания Windows-программ с использованием визуальных средств. Содержит инструментарий для создания диаграмм и презентаций .
· пакет Borland C++ - одно из самых распространённых средств для разработки DOS и Windows приложений.
- Перевод
Не знаю, как будет выглядеть язык программирования в 2000-м году, но я знаю, что называться он будет FORTRAN.
- Чарльз Энтони Ричард Хоар, ок. 1982
В индустрии Fortran сегодня используется редко – в одном из списков популярных языков он оказался на 28-м месте . Но Fortran всё ещё главный язык для крупномасштабных симуляций физических систем – то есть для таких вещей, как астрофизическое моделирование звёзд и галактик (напр. Flash), крупномасштабной молекулярной динамики, коды подсчёта электронных структур (SIESTA), климатические модели, и т.п. В области высокопроизводительных вычислений, подмножеством которых являются крупномасштабные числовые симуляции, сегодня используются лишь два языка – C/C++ и «современный Fortran» (Fortran 90/95/03/08). Популярные библиотеки Open MPI для распараллеливания кода были разработаны для двух этих языков. В общем, если вам нужен быстрый код, работающий на нескольких процессорах, у вас есть только два варианта. В современном Fortran есть такая особенность, как "coarray ", позволяющая прямо в языке работать с параллельным программированием. Coarray появились в расширении Fortran 95, а затем были включены в Fortran 2008.
Активное использование Fortran физиками часто приводит в замешательство специалистов по информатике и других не связанных с этой областью людей, которым кажется, что Fortran – исторический анахронизм.
Я хотел бы объяснить, почему Fortran всё ещё остаётся полезным. Я не призываю изучающих физику студентов учить Fortran – поскольку большинство из них будут заниматься исследованиями, им лучше заняться изучением C/C++ (или остановиться на Matlab/Octave/Python). Я хотел бы пояснить, почему Fortran всё ещё используется, и доказать, что это не только из-за того, что физики «отстают от моды» (хотя иногда это так и есть – в прошлом году я видел студента-физика, работавшего с кодом Fortran 77, при этом ни он, ни его руководитель ничего не слышали про Fortran 90). Специалисты по информатике должны рассматривать преобладание Fortran в числовых вычислениях как вызов.
Перед тем, как углубиться в тему, я хочу обсудить историю, поскольку, когда люди слышат слово «Fortran», они сразу представляют себе перфокарты и код с пронумерованными строками. Первая спецификация Fortran была написана в 1954 году. Ранний Fortran (тогда его название писалось заглавными буквами, FORTRAN), был, по современным меркам, адским языком, но это был невероятный шаг вперёд от предыдущего программирования на ассемблере. На FORTRAN часто программировали при помощи перфокарт, как об этом без удовольствия вспоминает профессор Мириам Форман из университета Стони Брук. У Fortran было много версий, самые известные из которых – стандарты 66, 77, 90, 95, 03 и 08.
Часто говорят, что Fortran до сих пор используют из-за его скорости. Но самый ли он быстрый? На сайте benchmarksgame.alioth.debian.org есть сравнение C и Fortran в нескольких тестах среди многих языков. В большинстве случаев Fortran и C/C++ оказываются самыми быстрыми. Любимый программистами Python часто отстаёт в скорости в 100 раз, но это в порядке вещей для интерпретируемого кода. Python не подходит для сложных числовых вычислений, но хорошо подходит для другого. Что интересно, C/C++ выигрывает у Fortran во всех тестах, кроме двух, хотя в целом по результатам они мало отличаются. Тесты, где Fortran выигрывает, наиболее «физические» – это симуляция системы из n тел и расчёт спектра. Результаты зависят от количества ядер процессора, например, Fortran немного отстаёт от C/C++ на четырёхъядерном. Тесты, в которых Fortran сильно отстаёт от C/C++, большую часть времени занимаются чтением и записью данных, и в этом отношении медлительность Fortran известна.
Так что, C/C++ настолько же быстрый, насколько Fortran, а иногда и немного быстрее. Нас интересует, «почему профессора физики продолжают советовать своим студентам использовать Fortran вместо C/C++?»
У Fortran есть унаследованный код
Благодаря долгой истории Fortran, неудивительно, что на нём написаны горы кода по физике. Физики стараются минимизировать время на программирование, поэтому, если они найдут более ранний код, они будут его использовать. Даже если старый код неудобочитаемый, плохо документированный и не самый эффективный, чаще использовать старый проверенный, чем писать новый. Задача физиков – не писать код, они пытаются понять природу реальности. У профессоров унаследованный код всегда под рукой (часто этот код они сами и писали десятилетия назад), и они передают его своим студентам. Это сохраняет их время и удаляет неопределённости из процесса устранения ошибок.Студентам-физикам изучать Fortran легче, чем C/C++
Я думаю, что изучать Fortran легче, чем C/C++. Fortran 90 и C очень похожи, но на Fortran писать проще. C – язык сравнительно примитивный, поэтому физики, избирающие себе C/C++, занимаются объектно-ориентированным программированием. ООП может быть полезным, особенно в крупных программных проектах, но изучать его гораздо дольше. Нужно изучать такие абстракции, как классы и наследование. Парадигма ООП очень отличается от процедурной, используемой в Fortran. Fortran основан на простейшей процедурной парадигме, более приближенной к тому, что происходит у компьютера «под капотом». Когда вы оптимизируете/векторизуете код для увеличения скорости, с процедурной парадигмой легче работать. Физики обычно понимают, как работают компьютеры, и мыслят в терминах физических процессов, например, передачи данных с диска в RAM, а из RAM в кэш процессора. Они отличаются от математиков, предпочитающих размышлять в терминах абстрактных функций и логики. Также это мышление отличается от объектно-ориентированного. Оптимизация ООП-кода более сложна с моей точки зрения, чем процедурного. Объекты – очень громоздкие структуры по сравнению со структурами данных, предпочитаемыми физиками: массивами.Лёгкость первая: работа Fortran с массивами
Массивы, или, как их зовут физики, матрицы, находятся в сердце всех физических вычислений. В Fortran 90+ можно найти много возможностей для работы с ними, схожих с APL и Matlab/Octave. Массивы можно копировать, умножать на скаляр, перемножать между собой очень интуитивным образом:A = B
A = 3.24*B
C = A*B
B = exp(A)
norm = sqrt(sum(A**2))
Здесь, A, B, C – массивы некоторой размерности (допустим, 10x10x10). C = A*B даёт нам поэлементное перемножение матриц, если A и B одного размера. Для матричного умножения используется C = matmul(A,B). Почти все внутренние функции Fortran (Sin(), Exp(), Abs(), Floor(), и т.д.) принимают массивы в качестве аргументов, что приводит к простому и чистому коду. Похожего кода в C/C++ просто нет. В базовой реализации C/C++ простое копирование массива требует прогона for циклов по всем элементам или вызова библиотечной функции. Если скормить массив не той библиотечной функции в С, произойдёт ошибка. Необходимость использования библиотек вместо внутренних функций означает, что итоговый код не будет чистым и переносимым, или лёгким в изучении.
В Fortran доступ к элементам массива работает через простой синтаксис A, когда в C/C++ нужно писать A[x][y][z]. Элементы массивов начинаются с 1, что соответствует представлениям физиков о матрицах, а в массивах C/C++ нумерация начинается с нуля. Вот ещё несколько функций для работы с массивами в Fortran.
A = (/ i , i = 1,100 /)
B = A(1:100:10)
C(10:) = B
Сначала создаётся вектор A через подразумеваемый цикл do, также известный, как конструктор массивов. Затем создаётся вектор B, состоящий из каждого 10-го элемента А, при помощи шага в 10. И, наконец, массив B копируется в массив С, начиная с 10-го элемента. Fortran поддерживает объявления массивов с нулевыми или отрицательными индексами:
Double precision, dimension(-1:10) :: myArray
Отрицательный индекс сначала выглядит глупо, но я слышал об их полезности – например, представьте, что это дополнительная область для размещения каких-либо пояснений. Fortran также поддерживает векторные индексы . Например, можно передать элементы 1,5 и 7 из массива A размерностью N x 1 в массив B размерностью 3 x 1:
Subscripts = (/ 1, 5, 7 /)
B = A(subscripts)
Fortran поддерживает маски массивов во всех внутренних функциях. К примеру, если нам нужно посчитать логарифм всех элементов матрицы, больших нуля, мы используем:
Log_of_A = log(A, mask= A .gt. 0)
Или мы можем в одну строку обнулить все отрицательные элементы массива:
Where(my_array .lt. 0.0) my_array = 0.0
В Fortran легко динамически размещать и освобождать массивы. К примеру, для размещения двумерного массива:
Real, dimension(:,:), allocatable:: name_of_array
allocate(name_of_array(xdim, ydim))
В C/C++ для этого требуется следующая запись :
Int **array;
array = malloc(nrows * sizeof(double *));
for(i = 0; i < nrows; i++){
array[i] = malloc(ncolumns * sizeof(double));
}
Для освобождения массива в Fortran
Deallocate(name_of_array)
В C/C++ для этого
For(i = 0; i < nrows; i++){ free(array[i]); } free(array);
Лёгкость вторая: не нужно беспокоиться об указателях и выделении памяти
В языках вроде C/C++ все переменные передаются по значению, за исключением массивов, передающихся по ссылке. Но во многих случаях передача массива по значению имеет больше смысла. Например, пусть данные состоят из позиций 100 молекул в разные периоды времени. Нам необходимо анализировать движение одной молекулы. Мы берём срез массива (подмассив) соответствующий координатам атомов в этой молекуле и передаём его в функцию. В ней мы будем заниматься сложным анализом переданного подмассива. Если бы мы передавали его по ссылке, переданные данные не располагались бы в памяти подряд. Из-за особенностей доступа к памяти работа с таким массивом была бы медленной. Если же мы передадим его по значению, мы создадим в памяти новый массив, расположенный подряд. К радости физиков, компилятор берёт на себя всю грязную работу по оптимизации памяти.В Fortran переменные обычно передаются по ссылке, а не по значению. Под капотом компилятор Fortran автоматически оптимизирует их передачу для повышения эффективности. С точки зрения профессора в области оптимизации использования памяти компилятору стоит доверять больше, чем студенту! В результате физики редко используют указатели, хотя в Fortran-90+ они есть .
Ещё несколько примеров отличий Fortran и C
В Fortran есть несколько возможностей для управления компилятором при поиске ошибок и оптимизации. Ошибки в коде можно отловить на этапе компиляции, а не при выполнении. К примеру, любую переменную можно объявить как параметр, то есть константу.Double precision, parameter:: hbar = 6.63e-34
Если параметр в коде меняется, компилятор возвращает ошибку. В С это называется const
Double const hbar = 6.63e-34
Проблема в том, что const real отличается от простого real. Если функция, принимающая real, получит const real, она вернёт ошибку. Легко представить, как это может привести к проблемам функциональной совместимости в коде.
В Fortran также есть спецификация intent, сообщающая компилятору, является ли передаваемый в функцию аргумент входным, выходным, или одновременно входным и выходным параметром. Это помогает компилятору оптимизировать код и увеличивает его читаемость и надёжность.
В Fortran есть и другие особенности, используемые с разной частотой. К примеру, в Fortran 95 есть возможность объявлять функции с модификатором pure [чистый]. У такой функции нет побочных эффектов – она меняет только свои аргументы, и не меняет глобальные переменные. Особым случаем такой функции служит функция elemental, которая принимает и возвращает скаляры. Она используется для обработки элементов массива. Информация о том, что функция pure или elemental, позволяет компилятору проводить дополнительную оптимизацию, особенно при распараллеливании кода.
Чего ждать в будущем?
В научных подсчётах Fortran остаётся основным языком, и в ближайшее время исчезать не собирается. На опросе среди использующих этот язык посетителей конференции «2014 Supercomputing Convention» 100% из них сказали, что собираются использовать его в ближайшие 5 лет. Из опроса также следует, что 90% использовали смесь из Fortran и C. Предвидя увеличение смешивания этих языков, создатели спецификации Fortran 2015 включают в неё больше возможностей для функциональной совместимости кода. Код Fortran всё чаще вызывается из кода на Python. Специалисты по информатике, критикующие использование Fortran, не понимают, что этот язык остаётся уникально приспособленным для того, в честь чего он был назван - FOrmula TRANslation, перевода формул, то есть, преобразования физических формул в код. Многие из них не догадываются, что язык развивается и постоянно включает всё новые возможности.Называть современный Fortran 90+ старым, это всё равно, что называть старым C++, из-за того, что C разработали в 1973. С другой стороны, даже в самом новом стандарте Fortran 2008 существует обратная совместимость с Fortran 77 и большей частью Fortran 66. Поэтому разработка языка сопряжена с определёнными трудностями. Недавно исследователи из MIT решили преодолеть эти трудности, разработав с нуля язык для HPC по имени Julia , впервые вышедший в 2012 году. Займет ли Julia место Fortran, ещё предстоит увидеть. В любом случае, подозреваю, что это будет происходить очень долго.
Теги:
- fortran
- научное программирование
В 2017 году языку Fortran исполняется 60 лет. За это время язык несколько раз дорабатывался. «Современными» версиями считаются Fortran 90, 95, 2003 и 2008. Если изначально это был язык программирования высокого уровня с чисто структурной парадигмой, то в более поздних версиях появились средства поддержки ООП и параллельного программирования. На сегодняшний день Fortran реализован для большинства платформ.
До появления языка Fortran разработчики программировали, используя машинный код и ассемблер. Язык высокого уровня быстро набрал популярность, так как был прост в изучении и обеспечивал генерацию эффективного исполняемого кода. Это существенно упростило жизнь программистам.
В 1950 году, когда Джону Бекусу было 25 лет, он, получив степень магистра математики в Колумбийском университете, устроился программистом в фирму IBM. Вскоре он возглавил группу, разрабатывающую интерпретатор под названием «Быстрый кодировщик» для компьютера марки IBM-701. Затем он работал в составе группы по созданию более мощного преемника модели 701, машины IBM-704.
В 1953 году Бекус выступил с рационализаторской инициативой. Он предложил создать язык и компилятор к нему, которые должны были упростить программирование модели IBM-704. Система позволяла записывать программы в алгебраической форме, а компилятор должен был автоматически переводить ее в машинные коды.
С этим предложением Джон Бекус, как говорится, оказался в нужном месте, в нужное время. С опозданием выйдя на рынок, фирма IBM испытывала затруднения с увеличением сбыта своих компьютеров. По этой причине она поддерживала исследования по информатике в Колумбийском, Гарвардском и некоторых других университетах. Помимо этого, IBM и сама искала пути снижения стоимости программирования, а также пыталась упростить работу с компьютерами, чтобы сделать их более привлекательными, «дружественными» для пользователей.
Дело в том, что в то время с компьютерами работали в основном ученые, инженеры и преподаватели. Вычислительные машины использовались для научных расчетов. Однако эти люди испытывали большие сложности, так как приходилось использовать машинные коды и язык ассемблера. А это требовало довольно глубокого знания устройства и действия самого компьютера.
Поэтому они наверняка согласились бы изучить язык высокого уровня, особенно если бы он напоминал привычные им алгебраические формулы. Такие рассуждения подвигли IBM к разработке Fortran.
IBM-704
Исследователи фирмы IBM, создававшие Fortran, и не подозревали, насколько большое значение приобретет этот язык. Когда они в начале 1954 года приступили к работе, информатика развивалась стихийно, и каждый работал по наитию. Это привело к возникновению профессиональных программистов и специалистов по информатике.
Один из управляющих фирмы IBM решил, что из шахматистов получаются хорошие программисты, поэтому он заводил беседы с возможными кандидатами в программисты во время шахматных партий с одним из сотрудников фирмы IBM (который, кстати, был чемпионом США по шахматам).Даже сам руководитель команды разработки Fortran Джон Бекус имел лишь несколько лет опыта работы с компьютером, когда приступил к созданию нового языка программирования.Мало кто из восьми человек, занятых в разработке Fortran, был серьезно знаком с компьютерами. Они пришли из университетов и авиакомпаний, а также из собственных программистских групп IBM.
До колледжа Бекус был посредственным учеником («Я прошел больше школ, чем могу вспомнить»). После службы в армии во время второй мировой войны он оказался в Нью-Йорке, где поступил в школу радиотехники. «Пределом моих стремлений было сделать высококачественное звуковоспроизводящее устройство», - признался Бекус позднее,.Итак, разработчики во главе с Бекусом расположились в штаб-квартире фирмы IBM на Мэдисон-авеню в Нью-Йорке.Однако преподаватель по ремонту телевизионной и радиоаппаратуры пробудил у Бекуса интерес к математике и убедил его продолжить учебу в Колумбийском университете. Так скромно началась одна из самых плодотворных карьер в истории вычислительной техники.
Они выделили основные понятия нового языка, в частности оператор присваивания (например, N = 100), задававший переменным определенные значения, ввели индексируемые переменные, которые сообщали компьютеру, какой элемент из списка переменных нужен (например, X(3) означает третий элемент списка, названного X), предложили очень важный оператор DO, который позволял повторять нужную последовательность операторов заданное число раз.
Как заявлял Бекус, большинство людей считало, что основной вклад Fortran - это возможность писать программы в виде алгебраических формул, а не на машинном языке. Но на самом деле это не так. По его мнению, Fortran в первую очередь автоматизировал организацию циклов. Важность этой задачи при разработке научных приложений сложно переоценить. Работа над языком шла быстро.
Однако совсем другое дело - разработка компилятора. Бекус понимал, что развеять сомнения в возможностях «автоматического» программирования, то есть написания программ на языках высокого уровня нелегко. Это произойдет, когда программы, полученные с помощью Fortran, будут такими же быстродействующими и надежными, как и написанные в машинных кодах или на языке ассемблера, думал он.
По плану на разработку компилятора отводилось полгода, однако работа над ним заняла более двух лет.
В конце 1956 года и в 1957 году интенсивность работы по доводке и отладке компилятора резко возросла. В этот период члены группы часто снимали номер в ближайшей гостинице, где отсыпались днем, работая на машине по ночам, чтобы иметь возможно больше непрерывного машинного времени. Ошибки одна за другой устранялись, и в апреле 1957 года компилятор был готов для использования владельцами машины IBM-704.
«Большой конфуз»
По ошибке, которую Бекус назвал «большим конфузом», компилятор был послан в лабораторию «Вестингауз-Беттис» в виде колоды перфокарт и без каких-либо инструкций; что и позволило Гербу Брайту из лаборатории «Вестингауз-Беттис» запустить Fortran вслепую. Остальные пользователи получили систему на магнитной ленте вместе с руководством для оператора.
В одну из пятниц апреля 1957 года в компьютерный центр атомной лаборатории «Вестингауз-Беттис» возле Питтсбурга почтальон доставил загадочную посылку. Программист Херб Брайт и двое его коллег открыли ящик, на котором не было никаких пометок, и обнаружили там стопку примерно из 2 тысяч перфокарт, без единой инструкции.
Рассматривая перфокарты, Брайт вспомнил, что в IBM как раз шла окончательная отладка языка высокого уровня, предназначенного для использования на IBM-704. Может, почтальон принес именно этот долгожданный компилятор? Брайт и его друзья решили загрузить загадочные карты в компьютер и посмотреть, что получится.
Брайт вложил в считывающее устройство компьютера тестовую программу, написанную на Фортране, и нажал кнопку пуска. Новый компилятор выдал на принтер сообщение: «на карте № 25 обнаружена ошибка в операторе - пропущена запятая».
Программисты, привыкшие к запутанным сообщениям в виде числовых кодов, были поражены ясностью этой информации. Неверный оператор исправили и снова нажали кнопку пуска. Ленты начали вращаться, и компьютер выдал стопку перфокарт программы. Когда карты загрузили в считывающее устройство, заработал принтер и без остановки напечатал 28 страниц. Компьютер лишь слегка ошибся в формате выходных данных. «Но числа были правильными! Числа были правильными!» - восклицал позднее Брайт.
На самом деле, примерно в одно и то же время с Fortran"ом появилось еще два языка высокого уровня – Кобол и Алгол. Начиная с конца 50-х годов они долгое время лидировали в компьютерном мире. Большинство современных программ написано на языках, которые представляют собой потомки этих трех языков.
Распространение и адаптация
Но поначалу Fortran принимали без особой теплоты. Программисты, как вспоминал Бекус, «весьма скептично воспринимали все наши заявки». Однако по сравнению со своими предшественниками Fortran был сравнительно прост для обучения и использования.Кроме того, фирма IBM снабжала все модели 704 Fortran’ом бесплатно. В результате к 1958 году более половины всех машинных команд на 60 компьютерах фирмы были получены не вручную, а «автоматически», с помощью нового языка высокого уровня.
Бекус понимал, что конкурирующие производители тоже займутся разработкой языков высокого уровня для своих вычислительных машин. Однако Fortran быстро стал нормой и его адаптировали для различных моделей ЭВМ. Первую адаптацию осуществила сама фирма IBM. Через пять лет Fortran использовался на шести различных моделях компьютеров фирмы IBM, а также на компьютерах компании «Сперри Рэнд», «Филко» и других.
Небольшая группа, в которую входил Дэвид Хеммис, за короткое время адаптировала Fortran к машине IBM-650, меньшей, чем IBM-704. Хеммис и его коллеги разработали систему «FORTRANSIT» (FOR TRANSIT - для перехода); позднее эти два слова слились в одно. Таким образом, система FORTRANSIT стала первым транслятором исходного, работающим на ЭВМ нескольких моделей.
Дэвид Хеммис – один из первых разработчиков компьютерных языков, за рулем своего автомобиля выпуска 1928 года. Фотография сделана в Уэстхемптоне (шт. Нью-Йорк) во время автомобильных гонок 1957 года.
Доработка
Тем не менее, работу над новым языком нужно было продолжать достаточно долго: это стало ясно еще в начале 1957 года, когда продолжался процесс отладки. Бекус и другие разработчики понимали, что язык нуждается в более точной системе диагностики программных ошибок. Кроме того, необходимо было реализовать возможность раздельного и независимого написания подпрограмм и программных модулей. Таким образом язык получил бы еще одно преимущество – повторное использование кода.Благодаря усилиям разработчиков всего через год после создания оригинала появился Fortran II. Одно из достоинств нового языка состояло в том, что он позволял вставлять в программы фрагменты кода на ассемблере. Более поздняя версия, Fortran III, была создана в 1958 году. Про Fortran IV, который еще больше расширил возможности языка, стало известно в 1962 году.
Ядро языка, его основные операторы и выражения, оставались практически неизменными на протяжении многих лет. Но, поскольку Фортран многократно адаптировался ко все новым системам машин, для которых он не предназначался, постепенно накапливались отличия. Одни возможности терялись, новые возникали. Это неизбежно порождало путаницу.
Например, не все компиляторы одинаково истолковывали важнейший оператор DO: некоторые всегда выполняли цикл хотя бы один раз, не проверяя, нужно ли его вообще выполнять, другие осуществляли такую проверку. Чтобы навести порядок в подобных вопросах, производители и пользователи компьютеров договорились провести стандартизацию языка.
В 1966 году первый стандарт получил название Fortran 66. В 1977 году, соответственно, вышел стандарт Fortran 77. В 1991 году появился Fortran 90. Fortran 95 создан в 1997 году.
Fortran в СССР
В Советском союзе ко двору больше пришелся Алгол-60. Поэтому Fortran в этой стране появился позже. Тем не менее, постепенно он вышел на первое место по популярности. Были разработаны компиляторы (трансляторы) для большинства отечественных ЭВМ – «Минск-32», БЭСМ-4, БЭСМ-6, АС-6, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, МВК «Эльбрус» и так далее.В ИПМ им. Келдыша в разное время было разработано несколько трансляторов. Два из них – Фортран-Алмо и Форшаг (Фортран шаговый) были написаны на языке Алмо и код генерировали на этом же языке. Это позволило установить трансляторы на несколько разнотипных ЭВМ. В обоих трансляторах реализован стандарт Fortran 66.
Форшаг также включал язык диалога, который позволил создавать, редактировать и выполнять трансляцию кода в диалоговом режиме. Помимо этого, был разработан комплекс графических программ для Фортрана – Графор, который активно использовался на различных ЭВМ.
Fortran и по сей день остается популярным среди научных работников. Это первый язык программирования высокого уровня, имеющий транслятор, получивший практическое применение и дальнейшее развитие. Как говорилось в руководстве фирмы IBM, выпущенном в 1957 году, «Fortran обеспечивает эффективный способ создания программ для модели 704, прост в обучении и не требует глубоких знаний в области ЭВМ».
С тех пор научные работники, инженеры и студенты получили возможность общаться с компьютером без помощи профессиональных программистов, пишущих на ассемблере.
Однако следующее поколение программистов стало относиться к Fortran"у как к «ископаемому». Эдсгер Дейкстра, язвительно отмечал, что обучение студентов этому языку должно приравниваться к серьезному преступлению.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России
ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
НА ЯЗЫКЕ ФОРТРАН
Учебное пособие
Екатеринбург
Введение. 3
Историческая справка. 5
Структура программы.. 8
Отличия Фортрана 90 от Фортрана 77. 11
Доступ к вычислительным ресурсам. 15
Запуск задач на кластере. 17
Переписать тексты программ на сервер. 17
Компиляция программ. 17
Запуск программы на счет. 19
Типы данных. 22
Целая константа. 22
Вещественная константа. 23
Вещественная константа двойной точности. 23
Комплексная константа. 23
Комплексная константа двойной точности. 24
Логическая константа. 24
Текстовая константа. 24
Операторы описания типов данных. 26
INTEGER целого типа. 26
REAL и DOUBLE PRECISION вещественного типа. 27
COMPLEX и DOUBLE COMPLEX комплексного типа. 28
CHARACTER символьного типа. 29
LOGICAL логического типа. 29
DIMENSION массивов. 30
Атрибут PARAMETER.. 32
Разновидности встроенных типов данных. 35
Выражения, операции и присваивания. 36
Арифметические выражения. 36
Выражения отношения. 37
Логические выражения. 38
Правила вычисления выражений. 38
Операторы ввода/вывода. 39
Оператор ввода DATA.. 39
Оператор ввода READ.. 40
Оператор вывода WRITE. 41
Оператор вывода на экран PRINT. 42
Оператор задания формата ввода-вывода (FORMAT) 43
Спецификации X, T. 43
Спецификатор I 44
Разделители. 45
Спецификация F. 46
Повторители. 49
Спецификация E. 50
Спецификация G.. 51
Дескрипторы данных. 52
Операторы условия. 53
Логический оператор условия. 53
Арифметический оператор условия. 57
Конструкция SELECT CASE. 60
Операторы цикла. 62
Оператор цикла DO.. 62
Оператор цикла DO WHILE. 64
Оператор остановки STOP. 65
Оператор выхода из цикла EXIT. 66
Операторы перехода. 67
Оператор бузословного перехода GOTO.. 67
Вычисляемый оператор перехода GOTO.. 67
Оператор условного перехода IF … GOTO.. 68
Работа с массивами. 69
Ввод массивов. 69
Вывод массивов. 71
Обработка массивов. 73
Подпрограммы.. 76
Оператор-функция. 78
Подпрограмма-функция FUNCTION.. 81
Подпрограмма-процедура SUBROUTINE. 83
Работа с внешними файлами. 85
Оператор открытия файла OPEN.. 85
Оператор закрытия файла CLOSE. 86
Примеры работы с файлами. 86
Литература. 89
Введение
Характерная черта параллельных ЭВМ – возможность одновременного использования для обработки информации большого числа процессоров. Применение многопроцессорных вычислительных систем (МВС) ставит две задачи построения параллельных алгоритмов: распараллеливание существующих последовательных алгоритмов и создание новых алгоритмов с ориентацией на параллельные вычислительные системы.
Наиболее распространенной технологией программирования для параллельных компьютеров с распределенной памятью в настоящее время является MPI. Основным способом взаимодействия параллельных процессов в таких системах является передача сообщений друг другу. Это и отражено в названии данной технологии – Message Passing Interface (интерфейс передачи сообщений). Стандарт MPI фиксирует интерфейс, который должен соблюдаться как системой программирования на каждой вычислительной платформе, так и пользователем при создании своих программ. Коммуникационная библиотека MPI стала общепризнанным стандартом в параллельном программировании с использованием механизма передачи сообщений.
MPI-программа представляет собой набор независимых процессов, каждый из которых выполняет свою собственную программу (не обязательно одну и ту же), написанную на языке C или FORTRAN.В языке FORTRAN большинство MPI-процедур являются подпрограммами (вызываются с помощью оператора CALL), а код ошибки возвращают через дополнительный последний параметр процедуры. Несколько процедур, оформленных в виде функций, код ошибки не возвращают. Не требуется строгого соблюдения регистра символов в именах подпрограмм и именованных констант. Массивы индексируются с 1. Объекты MPI, которые в языке C являются структурами, в языке FORTRAN представляются массивами целого типа.
В ИММ программируют на Фортране. Главной сложностью в его использовании для больших задач является согласование взаимодействия частей большой задачи. Фортран 90 включает механизмы взаимодействия объектов в соответствии с технологией объектно-ориентированного программирования, которые облегчают коллективную работу над большим проектом. Это модули для оформления библиотек, структуры и производные типы данных для организации сложных данных, это динамическое распределение памяти, а также ряд механизмов обработки массивов, в том числе образование различных вырезок (сечений). Возможность объединения в одном семействе (в роду) типовых процедур обработки, отличающихся типами их аргументов, может быть полезным средством в целом ряде задач. Виды (семейства) типов данных позволяют легко настраивать реализацию типа с учетом свойств аппаратуры (например, тип INTEGER можно объявить длинным или коротким через управление видом KIND). Некоторые правила стилевого оформления могут помогать разработке, например, объявление входных, выходных и изменяемых параметров процедуры помогает отысканию ошибок взаимодействия программных единиц. Правила записи свойств данных, комментариев и других элементов облегчают чтение написанных программ, что ускоряет поиск ошибок.
Историческая справка
1954 г. – IBM , первый транслятор языка Фортран .
1958 г. – Фортран II .
1962 г. – Фортран IV .
1966 г. – Фортран 66.
1978 г. – Фортран 77 .
Модификация языка Фортран, появившиеся в 1958 году, получила название Фортран II и содержала понятие подпрограммы и общих переменных для обеспечения связи между сегментами.
К 1962 году относится появление языка, известного под именем Фортран IV . В 1966 завершена разработка американского стандарта на язык ANSI (American National Standards Institute), язык называют Fortran 66 . В 1978 году разработана вторая версия стандарта ANSI – язык Fortran 77 , включающий элементы структурного программирования, например, структурный IF, символьные типы.
Третий вариант стандарта ANSI – Fortran 90 , реализован в 1991. Fortran 90 является развитием языка Fortran 77 , так что программа, написанная на Fortran 77 , может быть скомпилирована и запущена как программа на Fortran 90 . Стандарт Fortran 90 Standard вводит много новых средств для операций над массивами, новые методы спецификации точности, свободный формат исходного кода, рекурсию, динамические массивы и т. д.
Программы на текущем языке стандарта Fortran 77 могут успешно компилироваться компиляторами Fortran 90 без каких-либо изменений. Тем не менее, структура программы на языке Fortran 90 может значительно отличаться от структуры эквивалентной программы на Fortran 77 . Программист должен остерегаться смешения двух стилей.
В такой же мере компилятор с Fortran 90 требует обеспечения объяснений для сообщений о некоторых кодах несоответствия (несогласования), то есть использование операторов или переменных, которые разрешены сверх множества правил, выходящих за пределы стандарта.
Фортран занимает почетное место среди современных языков программирования. Это один из первых языков программирования высокого уровня и с самого своего рождения он предназначался для решения сложных вычислительных задач. В среде прикладных программистов Фортран сначала был встречен скептически, поскольку считалось, что заплатить за удобство программирования на языке высокого уровня придется значительной потерей скорости вычислений. Если речь идет о моделировании сложных процессов или обработке больших объемов информации, скорость вычислений является решающим фактором, определяющим выбор языка, вычислительной платформы и технологии программирования.
