Фортран - один из старейших языков программирования, который, несмотря на свой возраст, продолжает активно использоваться в науке и технике. Давайте разберемся, почему этот язык до сих пор востребован и какие задачи можно решать с его помощью.
История создания языка Фортран
Фортран был разработан в 1957 году в компании IBM для использования на компьютерах серии IBM 704. Название языка произошло от английского "Formula Translation" - "перевод формул". Целью создания Фортрана было упростить программирование для инженеров и ученых, позволив им использовать более привычную математическую запись.
Первая версия языка, Фортран I, отличалась простым синтаксисом и включала основные арифметические операции, управляющие конструкции и возможности работы с массивами. В 1958 году был выпущен Фортран II, который содержал улучшенные средства для написания подпрограмм.
Следующие версии - Фортран III и IV - добавили возможности структурного программирования и работы со строковыми данными. К середине 1960-х годов Фортран стал популярен на различных компьютерных платформах благодаря наличию компиляторов от сторонних производителей. В 1977 году был принят первый стандарт языка ANSI Fortran 66, унифицировавший различные диалекты Фортрана.
В дальнейшем развитие Фортрана продолжалось в рамках последующих стандартов - Fortran 77, Fortran 90/95, Fortran 2003 и самого современного на данный момент Fortran 2008. Каждая новая версия расширяла возможности языка, сохраняя обратную совместимость с предыдущими.
Области применения Фортрана
С самого начала Фортран ориентировался на решение математических и инженерных задач. Благодаря эффективной работе с массивами данных и высокой производительности он быстро нашел применение в областях, требующих сложных вычислений:
- Математическое моделирование физических процессов
- Численное решение дифференциальных уравнений
- Обработка и визуализация научных данных
- Метеорология и климатология
Кроме того, Фортран использовался при разработке программного обеспечения для инженерных расчетов в авиакосмической промышленности, энергетике, строительстве и других областях. Многие прикладные библиотеки для решения задач линейной алгебры, такие как BLAS и LAPACK, изначально создавались на Фортране.
В настоящее время этот язык по-прежнему востребован в научных и инженерных приложениях, где требуется высокая производительность и точность вычислений. Он остается одним из основных языков для написания программ, исполняемых на суперкомпьютерах.
Особенности и преимущества языка
Фортран обладает рядом особенностей, которые обуславливают его широкое применение в областях, связанных с интенсивными вычислениями:
- Сильная типизация данных позволяет компилятору выполнять более тщательную оптимизацию и проверку кода
- Язык ориентирован на работу с массивами как основным типом данных
- Поддержка параллельных вычислений на уровне языка упрощает написание программ для многопроцессорных систем
- Высокоэффективные компиляторы генерируют код, оптимизированный для конкретной аппаратной архитектуры
Кроме того, программы на Фортран отличаются переносимостью - код, написанный десятилетия назад, зачастую успешно компилируется современными компиляторами без изменений. Это позволяет повторно использовать большие объемы наработок прошлых лет.
Базовые конструкции языка Фортран
Рассмотрим основные возможности языка Фортран на примере написания простой программы для вычисления факториала числа.
Описание переменных
В Фортране используются строго типизированные переменные. Например, для хранения целых чисел применяется тип INTEGER:
INTEGER :: num Здесь объявляется целочисленная переменная num.
Арифметические операции
Основные математические операции записываются так же, как и в математике:
fact = 1 DO i = 1, num fact = fact * i END DO Этот фрагмент кода вычисляет факториал num с использованием цикла от 1 до num.
Ввод и вывод данных
Для ввода и вывода используются операторы READ и WRITE:
WRITE(*,*) 'Введите число: ' READ(*,*) num WRITE(*,*) 'Факториал ', num, ' = ', fact Здесь из командной строки считывается число, вычисляется его факториал и результат выводится обратно в командную строку.
Эти базовые возможности языка позволяют эффективно решать многие практические задачи, связанные с обработкой числовых данных.
Кроме того, в Фортране имеются развитые средства для организации сложных программ с использованием подпрограмм, модулей и объектно-ориентированного программирования.
Параллельное программирование в Фортране
Одной из ключевых особенностей Фортрана является встроенная поддержка параллельных вычислений. Это позволяет эффективно использовать многопроцессорные системы для ускорения выполнения программ. Рассмотрим основные средства параллельного программирования в Фортране.
Библиотека OpenMP
OpenMP предоставляет простой и удобный API для распараллеливания кода на общих многопроцессорных системах с памятью. Директивы OpenMP позволяют распределить вычисления между ядрами процессора практически без изменения кода:
!OMP PARALLEL DO DO i = 1, n a(i) = (a(i) + b(i)) * c END DO Здесь цикл будет выполнен параллельно с распределением итераций между потоками.
Комассивы в Coarray Fortran
Для систем с распределенной памятью в Фортране реализована поддержка комассивов - специального типа массивов для обмена данными между процессами. Например:
integer :: a(10)[*] a(1)[1] = 10 Здесь элемент массива a с индексом 1 на процессе 1 принимает значение 10.
Коллективные операции
Для синхронизации и коллективного взаимодействия процессов служат процедуры SYNC ALL, SYNC IMAGES и другие. Например:
CALL SYNC ALL DO i = 1, num_images() ... END DO Этот фрагмент кода синхронизирует все процессы перед выполнением цикла.
Разработка программ на Фортране
Рассмотрим основные этапы и инструменты разработки приложений на языке Фортран.
Написание кода
Программы на Фортране традиционно разрабатываются в текстовых редакторах. Популярные кроссплатформенные редакторы для Фортрана: Emacs, Vim, Sublime Text. Также существуют расширения для Visual Studio Code с поддержкой Фортрана.
Компиляция и отладка
Для компиляции кода на Фортране используются такие компиляторы как gfortran, ifort, NVFortran. Отладка может выполняться средствами компилятора, а также в интегрированных средах разработки.
Тестирование и профилирование
Существуют специальные фреймворки для модульного тестирования Фортран-кода (pFUnit, FRUIT). Профилирование ускоряет поиск узких мест в программах. Инструменты: gprof, Intel VTune, Allinea MAP.
Развертывание
Для запуска приложений требуется установить runtime-библиотеку использованного компилятора. Программы могут распространяться в виде исходного кода, двоичных файлов или исполняемых архивов.
Фортран - язык программирования (кратко)
Фортран - это язык программирования, ориентированный на эффективные математические вычисления и обработку больших массивов данных. Кратко его основные особенности можно описать так:
- Простой и понятный синтаксис математических операций
- Статическая типизация для повышения производительности
- Богатый набор встроенных функций для математики и линейной алгебры
- Мощные средства для параллельного программирования
- Переносимость кода между платформами
Эти качества делают Фортран идеальным языком для решения научных и инженерных задач, требующих интенсивных вычислений.
Первые языки высокого уровня кобол и фортран"
Фортран и КОБОЛ были одними из первых языков программирования высокого уровня, появившихся в 1950-х годах. Их разработка позволила существенно повысить производительность труда программистов по сравнению с машинными кодами и ассемблером.
КОБОЛ изначально создавался как язык для решения задач бизнес-логики и работы с данными. Фортран же был ориентирован на математические и научно-технические вычисления. Эта первоначальная специализация во многом определила области применения этих языков на долгие годы.
Фортран алгол
Язык Фортран был разработан фирмой IBM в 1956-57 годах, а Алгол появился позднее в 1958 году. Алгол оказал значительное влияние на многие последующие языки программирования, в том числе и на Фортран.
Начиная с Fortran IV, в этот язык стали добавлять возможности структурного программирования, заимствованные из Алгола - такие как блоки, операторы цикла и ветвления. Это позволило улучшить структуру программ на Фортране и сделать их более понятными и надежными.
Вместе с тем, Фортран сохранил свою первоначальную специализацию на вычислительных задачах и работе с массивами данных. А Алгол и его наследники больше ориентировались на общие цели программирования.
