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1. 简介

大气、地球物理很多经典模型都提供了Fortran77源码，为了使用这些模型，学习Fortran77编程是有必要的。

1.1 FORTRAN语言发展概况

（1）适用于工程及科学计算的一种高级程序设计语言
（2）1951年由约翰·贝克斯等人开始研究Fortran语言；
（3）1957年第一个Fortran程序在IBM704机上运行；
（4）1958和1962年先后推出FortranⅡ和FortranⅣ；
（5）1966和1978年先后颁布Fortran66

1.2 Fortran77和Fortran90的区别

Fortran奠定了高级语言发展的基础。Fortran的主要版本及差别按其发展历史，Fortran编译器的版本其实很多。现在在广泛使用的是Fortran77和Fortran90（另外，现在还有95、2003和2008版本）。Fortran77和Fortran90的区别：

Fortran77： 也称固定格式（fixed format），程序代码扩展名：.f或.for

• （1）若某行以C或c开头，则该行被当成注释；
• （2）每行前六个字符不能写程序代码，可空着；7~72为程序代码编写区；73往后被忽略；
• （3）太长的话可以续行，所续行的第六个字符可以是"0"以外的任何字符。

Fortran90：自由格式（free format）， 扩展名：.f90

• （1）以"!"引导注释；
• （2）每行可132字符，行代码放在每行最前面；
• （3）以&续行，放在该行末或下行初。

1.3 Fortran和C/C++等大多数语言的不同

（1）不分大小写
（2）每句末尾不必要写分号
（3）程序代码命令间的空格没有意义
（4）不像C，Fortran不使用{ }
（5）数据类型多出了复数和逻辑判断类型。比如复数类型
（6）多出了乘幂运算（**）。乘幂除了整数还可以是实数形式。如开方，开立方
（7）数组有一些整体操作的功能；可以方便的对部分元素进行操作
（8）有些情况下可以声明大小待定的数组，很实用的功能

1.4 简单的 Fortran 程序分析

Fortran 程序的基本结构：
（1）一个 Fortran 源程序由一个或多个程序单位组成，每个独立的程序单位以"end"语句结束。
（2）每个程序单位包括若干行（不能一行写多条语句，但可以几行写一条语句）。
（3）语句前可不设标号，也可根据需要设标号。
（4）各类语句在程序单位中的位置有一定规则。
（5）程序必须按规定格式书写。

1.5 FORTRAN 源程序的书写格式

Fortran77 源程序必须按以下格式书写：
（1）每行只能在 80 列内书写，并把 80 列分为 4 个区。
（2）1～5 列：标号区（ 1～5 位整数；第 1 列为"*"或"c"时，为注释行）
（3）第 6 列：续行标志区（非空格或非零字符；最多 19 个续行）
（4）7～72 列：语句区（书写语句；一行只能写一条语句）
（5）73～80 列：语句注释区（一般作编号注释）

1.6 编译环境配置

参考：Fortran编程——VScode配置

2. Fortran数据类型和变量

2.1 数据类型

Fortran 处理六种类型：
（1）整型（Integer）
（2）实型（Real）
（3）双精度（Double precision）
（4）复型（Complex）
（5）逻辑型（Logical）
（6）字符型（Character）

2.2 变量

2.2.1 命名规则

（1）变量名的第一个字符必须是字母；
（2）在第一个字符后可跟 1～5 个字母或数字。如：x，m1，total，k123，…

注意几点：
（1）变量名不区分大小写字母。如：TOTAL，Total，total 代表同一变量
（2）变量名中的空格不起作用。如：abc，a bc，ab c，a b c 代表同一变量
（3）允许变量名与语言中具有特定含义的字（“保留字”）同名。但建议不要使用。如：sin、read、end …
（4）尽量"见名知义"，如:root、aver、result 等
（5）它不能超过31个字符。

2.2.2 隐含约定（I～N 规则）

以 i、j、k、l、m、n 开头的变量为整型变量，以其它字母开头的变量为实型变量（“I～N 规则”）如：

imax，m5，number，...	为整型变量； 
v，h2，aver，...	为实型变量。

注：方便，但只能用来区分整型与实型。

2.2.3 IMPLICIT 语句（隐式说明语句）

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)

2.2.4 变量声明语法

变量在类型声明语句中的程序（或子程序）的开头声明。 变量声明的语法如下：

type-specifier :: variable_name

例如 (For example)

integer :: total  	
real :: average 
complex :: cx  
logical :: done 
character(len = 80) :: message ! a string of 80 characters

稍后您可以为这些变量赋值，例如，

total = 20000  
average = 1666.67   
done = .true.   
message = “A big Hello from IOWIKI” 
cx = (3.0, 5.0) ! cx = 3.0 + 5.0i

您还可以使用内部函数cmplx,将值赋给复杂变量 -

cx = cmplx (1.0/2.0, -7.0) ! cx = 0.5 – 7.0i 
cx = cmplx (x, y) ! cx = x + yi

字符类型
字符类型存储字符和字符串。 字符串的长度可以由len说明符指定。 如果未指定长度，则为1。

character (len = 40) :: name  
name = “Zara Ali”

2.4 第一个Fortran程序

按照国际惯例，写第一个Fortran程序，“Hello world”。保存为hello.f

      program HelloWorldprint *,'Hello,World!'read(*,*)end

注意：如果是f90直接忽略代码前面的空格，f77编码必须如上，否则无法编译通过。

Fortran程序由一组程序单元组成，如主程序，模块和外部子程序或过程。每个程序包含一个主程序，可能包含也可能不包含其他程序单元。 主程序的语法如下 -

program program_name
implicit none      
! type declaration statements      
! executable statements  
end program program_name

请注意 ：

• 所有Fortran程序都以关键字program开头，以关键字end program结尾，后跟end program，名称。
• implicit none语句允许编译器检查是否正确声明了所有变量类型。 您必须始终在每个程序的开头使用implicit none。较旧版本的Fortran允许一种称为隐式类型的功能，即您不必在使用前声明变量。 如果未声明变量，则其名称的第一个字母将确定其类型。以i，j，k，l，m或n开头的变量名称被认为是整数变量，其他变量是实变量。 但是，您必须声明所有变量，因为它是良好的编程习惯。 为此你用声明开始你的程序implicit none，此语句将关闭隐式类型。
• Fortran中的注释以感叹号（！）开头，因为编译器会忽略此后的所有字符（字符串除外）。
• print *命令在屏幕上显示数据。

参考：Fortran - Basic 语法

3. 程序编译

前提需要安装好Fortran开发环境。
在终端中输入

gfortran hello.f -o hello

如果是windows系统这样就会生成一个hello.exe程序，如果是linux系统就会生成一个不带后缀名的hello可执行程序。执行结果，在终端中输入

./hello.exe
或者
./hello

3.1 Fortran - Basic 语法

每个程序包含一个主程序，可能包含也可能不包含其他程序单元。 主程序的语法如下：

! 所有Fortran程序都以关键字program开头，以关键字end program,后跟end program,名称。
! implicit none语句允许编译器检查是否正确声明了所有变量类型。 您必须始终在每个程序的开头使用implicit none 。
! Fortran中的注释以感叹号（!）开头，因为编译器会忽略此后的所有字符（字符串除外）。
! print *命令在屏幕上显示数据。
! 压缩代码行是保持程序可读性的好方法。
! Fortran允许使用大写和小写字母。 除字符串文字外，Fortran不区分大小写。program program_name! 关闭隐式类型implicit none      ! type declaration statements      ! executable statements  print *,"Hello,World!"read(*,*)end program program_name

让我们编写一个程序，添加两个数字并打印结果 ：

        program addNumbers! This simple program adds two numbersimplicit none! Type declarationsreal :: a, b, result! Executable statementsa = 12.0b = 15.0result = a + bprint *, 'The total is ', resultend program addNumbers

3.2 Fortran变量用法实列

以下示例演示了屏幕上的变量声明，分配和显示 -

        program variableTestingimplicit none! declaring variables 变量声明integer :: total      real :: average complex :: cx  logical :: done character(len=80) :: message ! a string of 80 characters!assigning values 赋值total = 20000  average = 1666.67   done = .true.   message = "A big Hello from IOWIKI" cx = (3.0, 5.0) ! cx = 3.0 + 5.0iPrint *, totalPrint *, averagePrint *, cxPrint *, donePrint *, messageend program variableTesting

3.3 Fortran - 常量

常量是指程序在执行期间无法更改的固定值。命名常量具有值和名称。命名常量应在程序或过程的开头声明，就像变量类型声明一样，指示其名称和类型。使用parameter属性声明命名常量。例如，

3.3.1 例子 (Example)

以下程序计算重力作用下垂直运动引起的位移。

real, parameter :: pi = 3.1415927

        program gravitationalDisp! this program calculates vertical motion under gravity implicit none  ! gravitational accelerationreal, parameter :: g = 9.81   ! variable declarationreal :: s ! displacement   real :: t ! time  real :: u ! initial speed  ! assigning values t = 5.0   u = 50  ! displacement   s = u * t - g * (t**2) / 2  ! output print *, "Time = ", tprint *, 'Displacement = ',s  end program gravitationalDisp

3.4 Fortran - 运算符

Fortran提供以下类型的运算符 ：算术运算符、关系运算符、逻辑运算符。

3.4.1 算术运算符 (Arithmetic Operators)

下表显示了Fortran支持的所有算术运算符。 假设变量A=5，变量B=3然后

操作	描述	值
+	加法运算符，添加两个操作数。	A + B将给出8
-	减法运算符，从第一个减去第二个操作数。	A - B将给2
*	乘法运算符，将两个操作数相乘。	A * B将给出15
/	除法运算符，用除分子除分子。	A/B将给1
**	指数运算符，将一个操作数提升到另一个操作数。	A ** B将给出125

3.4.1.1 例子 (Example)

! 尝试以下示例来了解Fortran中可用的所有算术运算符 -program arithmeticOp! this program performs arithmetic calculationimplicit none  ! variable declarationinteger :: a, b, c! assigning values a = 5   b = 3  ! Exponentiation c = a ** b ! output print *, "c = ", c! Multiplication  c = a * b ! output print *, "c = ", c! Division  c = a/b ! output print *, "c = ", c! Additionc = a + b ! output print *, "c = ", c! Subtraction c = a - b ! output print *, "c = ", cend program arithmeticOp

3.4.2 关系运算符 (Relational Operators)

下表显示了Fortran支持的所有关系运算符。 假设变量A=10，变量B=20，则

操作	符号	描述	结果
==	.eq.	检查两个操作数的值是否相等，如果是，则条件变为真。	（A == B）不是真的。
/=	.ne.	检查两个操作数的值是否相等，如果值不相等则条件变为真。	（A！= B）是真的。
>	.gt.	检查左操作数的值是否大于右操作数的值，如果是，则条件变为真。	（A> B）不是真的。
<	.lt.	检查左操作数的值是否小于右操作数的值，如果是，则条件变为真。	(A < B) 为真
>=	.ge.	检查左操作数的值是否大于或等于右操作数的值，如果是，则条件变为真。	（A> = B）不是真的。
<=	.le.	检查左操作数的值是否小于或等于右操作数的值，如果是，则条件变为真。	（A <= B）是真的。

3.4.3 逻辑运算符 (Logical Operators)

Fortran中的逻辑运算符仅适用于逻辑值.true 和.false。

下表显示了Fortran支持的所有逻辑运算符。 假设变量A .true。 变量B .false。 那么 -

操作	描述	结果
.and.	称为逻辑AND运算符。 如果两个操作数都不为零，则条件成立。	（A.and.B）是假的。
.or.	称为逻辑OR运算符。 如果两个操作数中的任何一个非零，则条件变为真。	（A.or.B）是真的。
.not.	称为逻辑非运算符。 用于反转其操作数的逻辑状态。 如果条件为真，则Logical NOT运算符将为false。	！（A.not.B）是真的。
.eqv.	称为逻辑等效运算符。 用于检查两个逻辑值的等效性。	（A .eqv.B）是假的。
.neqv.	称为逻辑非等价运算符。 用于检查两个逻辑值的非等价性。	（A .neqv.B）是真的。

3.4.3.1 例子 (Example)

        program logicalOp! this program checks logical operatorsimplicit none  ! variable declarationlogical :: a, b! assigning values a = .true.   b = .false. if (a .and. b) thenprint *, "Line 1 - Condition is true"elseprint *, "Line 1 - Condition is false"end ifif (a .or. b) thenprint *, "Line 2 - Condition is true"elseprint *, "Line 2 - Condition is false"end if! changing values a = .false.   b = .true. if (.not.(a .and. b)) thenprint *, "Line 3 - Condition is true"elseprint *, "Line 3 - Condition is false"end ifif (b .neqv. a) thenprint *, "Line 4 - Condition is true"elseprint *, "Line 4 - Condition is false"end ifif (b .eqv. a) thenprint *, "Line 5 - Condition is true"elseprint *, "Line 5 - Condition is false"end ifend program logicalOp

3.4.4 Fortran中的运算符优先级

运算符优先级确定表达式中的术语分组。 这会影响表达式的计算方式。 某些运算符的优先级高于其他运算符; 例如，乘法运算符的优先级高于加法运算符。

3.4.4.1 例子 (Example)

        program precedenceOp! this program checks logical operatorsimplicit none  ! variable declarationinteger :: a, b, c, d, e! assigning values a = 20   b = 10c = 15d = 5e = (a + b) * c/d      ! ( 30 * 15 )/5print *, "Value of (a + b) * c/d is :    ",  e e = ((a + b) * c)/d    ! (30 * 15 )/5print *, "Value of ((a + b) * c)/d is  : ",  e e = (a + b) * (c/d);   ! (30) * (15/5)print *, "Value of (a + b) * (c/d) is  : ",  e e = a + (b * c)/d;     !  20 + (150/5)print *, "Value of a + (b * c)/d is  :   " ,  e end program precedenceOp