Язык Fortran. Версия языка программирования фортран

Youtube

Года.) Название Fortran является аббревиатурой от FOR mula TRAN slator, то есть, переводчик формул. Фортран широко используется в первую очередь для научных и инженерных вычислений. Одно из преимуществ современного Фортрана - большое количество написанных на нём программ и библиотек подпрограмм (см., например, Netlib Repository). Среди учёных, например, ходит такая присказка, что любая математическая задача уже имеет решение на Фортране, и, действительно, можно найти среди тысяч фортрановских пакетов и пакет для перемножения , и пакет для решения сложных интегральных уравнений и многие, многие другие. Ряд таких пакетов создавались на протяжении десятилетий и популярны (главным образом в научной среде) по сей день.

Большинство таких библиотек является фактически достоянием человечества: они доступны в исходных кодах, хорошо документированы, отлажены и весьма эффективны. Поэтому изменять, а тем более переписывать их на других языках программирования накладно, несмотря на то, что регулярно производятся попытки автоматического конвертирования FORTRAN-кода на современные языки программирования.

Современный Фортран (Fortran 95 и Fortran 2003) приобрёл черты, необходимые для эффективного программирования для новых вычислительных архитектур; позволяет применять современные технологии программирования, в частности, .

Стандарты

Фортран - жёстко стандартизированный язык, именно поэтому он легко переносится на различные платформы. Существует несколько международных стандартов языка:

FORTRAN IV (он же - FORTRAN 66 ) (1966)
FORTRAN 77 (1978)
Множество улучшений: текстовый 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 дополнтельные 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 массивами.
В языке появились элементы .
Отдельно объявлен список устаревших черт языка, предназначенных для удаления в будущем.
Fortran 95 (1997)
Коррекция предыдущего стандарта.
Fortran 2003 (2004)
Дальнейшее развитие поддержки в языке. Взаимодействие с операционной системой.

Компиляторы

Возможности и структура программы

Фортран имеет достаточно большой набор встроенных математических функций, поддерживает работу с целыми, вещественными и комплексными числами высокой точности. Выразительные средства языка изначально были весьма бедны, поскольку Фортран был одним из первых языков высокого уровня. В дальнейшем в Фортран были добавлены многие лексические конструкции, характерные для структурного, функционального и даже объектно-ориентированного программирования.

Структура программ изначально была ориентирована на ввод с

и имела ряд удобных именно для этого случая свойств. Так, 1-я колонка служила для маркировки текста как комментария (символом C ), со 1-й по 5-ю располагалась область меток, а с 7-й по 72-ю располагался собственно текст оператора или комментария. Колонки с 73-й по 80-ю могли служить для нумерации карт (чтобы восстановить случайно рассыпавшуюся колоду) или для краткого комментария, транслятором они игнорировались. Если текст оператора не вписывался в отведённое пространство (с 7-й по 72-ю колонку), в 6-ой колонке следующей карты ставился признак продолжения, и затем оператор продолжался на ней. Расположить два или более в одной строке (карте) было нельзя. Когда перфокарты ушли в историю, эти достоинства превратились в серьёзные неудобства.

Именно поэтому в стандарт Фортрана, начиная с Fortran 90, в добавление к фиксированному формату исходного текста появился свободный формат, который не регламентирует позиции строки, а также позволяет записывать более одного оператора на строку. Введение свободного формата позволило создавать код, и ясность которого не уступает коду, созданному при помощи других современных языков программирования, таких как или .

Своего рода «визитной карточкой» старого Фортрана является огромное количество меток, которые использовались как в операторах безусловного перехода , так и в операторах циклов, и в операторах описания форматного ввода/вывода FORMAT. Большое количества меток и операторов GOTO часто делало программы на Фортране трудными для понимания.

Именно этот негативный опыт стал причиной, по которой в ряде современных языков программирования (например, ) метки и связанные с ними операторы безусловного перехода вообще отсутствуют.

Однако современный Фортран избавлен от избытка меток за счет введения таких операторов, как DO … END DO, DO WHILE, SELECT CASE

Также к положительным чертам современного Фортрана стоит отнести большое количество встроенных операций с массивами и гибкую поддержку массивов с необычной индексацией. Пример:

Real,dimension(:,:) :: V ... allocate(V(-2:2,0:10)) ! Выделить память под массив, индексы которого могут! меняться в пределах от -2 до 2 (первый индекс) ! и от 0 до 10 - второй... V(2,2:3)=V(-1:0,1) ! Повернуть кусочек массива write(*,*)V(1,:) ! Напечатать все элементы массива V, первый индекс которых равен 1. deallocate(V)

Пример программы

Программа «Hello, World!»

Фиксированный формат (символами «ˆ» выделены пробелы в позициях строки с 1 по 6):

^^^^^^PROGRAM hello ^^^^^^PRINT*, "Hello, World!" ^^^^^^END

Свободный формат:

Program hello print *, "Hello, World!" end

Замечания.

Оператор PROGRAM не является обязательным. Строго говоря, единственный обязательный оператор Фортран-программы - оператор END .
Выбор прописных или строчных букв для написания операторов программы произволен. С точки зрения современных стандартов языка Фортран множество прописных букв и множество строчных букв при написании операторов языка совпадают.

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).
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,.
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»

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

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

программных ошибок

программных модулей

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 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.

Fortran (также FORTRAN) это язык программирования , разработанный в начале 1950-х годов и используемый до сих пор. Название является сокращением от "FORmula TRANslator". Ранние версии языка были известны как FORTRAN, но буквы перестали быть заглавными начиная с версии Fortran 90. Официальные стандарты языка теперь именуют язык как "FORTRAN".

>Fortran в основном используется для научных расчетов и численного анализа. Хотя первоначально это был процедурный язык, но в последние версии Fortran включили некоторые функции для поддержки объектно-ориентированного программирования для начинающих.

Первый компилятор FORTRAN был разработан для IBM 704 в 1954-57 в команде IBM под руководством Джона Бэкуса (John W. Backus). Это было оптимизирующий компилятор, потому что авторы рассудили, что никто не будет использовать язык, даже при изучении программирования для чайников, если его производительность не будет сравнима с ассемблером.

Язык получил широкое распространение в среде ученых и использовался для написания программ с интенсивными численными операциями, которые вынуждали создателей компиляторов Фортрана усердно переписывать код компиляторов, чтобы те генерировали более быстрый код. Сегодня существует сножество поставщиков высокопроизводительных компиляторов для Fortran. Многие достижения в области теории и конструирования компиляторов были мотивированы необходимостью генерировать хороший код для Fortran программ как полагается для основ программирования.

Известно несколько версий языка, в том числе известные FORTRAN IV (также известный как FORTRAN 66), Fortran 77 и Fortran 90. Последний формальный стандарт для языка, опубликованный в 1997 году, известен как Fortran 95. Версии языка от IBM никогда не были так популярны, как, разработанные другими компаниями, и это особенно касается FORTRAN IV - WATFOR, версия FORTRAN IV, разработанная в Университете Ватерлоо в Канаде, была наиболее востребованной, поскольку выводила лучше остальных выводила сообщения об ошибках компиляции. Точно также, программное обеспечение для автоматической генерации блок-схем из FORTRAN программ было разработано за пределами IBM

Первоначально, язык опирался на точность форматирования исходного кода и интенсивное использования числовые состояния и оператор GOTO. Эти причуды были удалены из новых версий языка. Последующие версии также представили "современные" концепции программирования, такие как комментарии в исходном коде и вывод текста, операторы IF-THEN-ELSE (в FORTRAN 77), рекурсия (в Fortran 90), и параллельные вычисления, в то же время пытаясь сохранить в Fortran "постный" профиль и высокую производительность. Среди самых популярных основанных на Fortran языках, можно выделить SAS, предназначенного для получения статистических отчетов, и SIMSCRIPT, для моделирования процессов массового обслуживания.

Продавцы высокопроизводительных научных компьютеров (Burroughs, CDC, Cray, IBM, Texas Instruments) добавили расширения для Fortran, чтобы включить использование специальных аппаратных особенностей, таких как: кэш инструкций, процессор pipe-соединений, векторных массивов и т. д. Например, один из Fortran компиляторов IBM (H Extended IUP) содержал уровень оптимизации, которая заставляла инструкции машинного кода держать несколько внутренних блоков арифметической занятыми все время. Другим примером является CFD, особый "вариант" Фортран, разработанный специально для суперкомпьютера ILLIAC IV, работающий в исследовательском центре NASA Ames. Эти расширения, либо исчезли с течением времени или же эти элементы были включенны в основной стандарт; основным расширением является OpenMP, которое является кросс-платформенной расширением для доступа к общей памяти. Еще одно из новых расширений, CoArray Fortran, призван способствовать развитию параллельного программирования и .

Первая попытка разработки на Erlang новичка может сильно расстроить потому, что синтаксис этого языка считается тайнописью многими программистами, которые начинали изучение с современных языков. Трудно писать лексический анализатор, когда всего один ошибочный символ может привести к ошибке времени выполнения, а не ошибки компиляции, если указанные конструкции не используются. В некоторых самых ранних версиях, не было объектов (ООП), которые рассматриваются в качестве полезных атрибутов программирования в современных условиях, или, например, отсутствовало динамическое распределение памяти. В то же время, синтаксис языка Фортран был применим к научным работам и вычислениям, связанным операциями над числами, а многие из его недостатков были учтены в более поздних версиях. Например, Fortran 95 имеет очень короткие команды для выполнения математических операций с матрицами и массивами, которые не только значительно улучшает читаемость программы, но также дает полезную информацию для компилятора чтобы она могла векторизовать операции. По этим причинам, Fortran не часто используется за пределами научных и инженерных вычислений, он остается языком для высокой производительности численных вычислений.

Компиляторы

IBM-704

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).
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,.
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.

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.