FORTRAN语言程序设计

FORTRAN语言程序设计第一章程序设计概述1.1程序设计基本概念1.程序：计算机操作命令的集合。例：求x、y、z的平均值aver的程序。2.程序设计：编制程序(操作命令)的过程。3.程序设计语言:书写程序所采用的某种专用语言。高级语言：数学语言或自然语言。如：FORTRAN语言等程序设计语言的类型:低级语言：机器语言和汇编语言。1.2程序设计方法和步骤1.2.1程序设计方法1.结构化方法（1）采用“自顶向下，逐步求精”的程序设计方法.（2）采用“单入口单出口”的控制结构.（3）三种基本程序结构：顺序、选择和循环.结构化程序设计的特征：（a）模块化:把一个较大的程序划分为若干个子程序，每一个子程序独立成为一个模块；（b）层次化:先设计第一层（即顶层）。然后步步深入，逐层细分，逐步求精，直到整个问题可用程序设计语言明确地描述为止。（c）逐步求精:是对一个复杂问题,从抽象到具体，最终编制出一个可执行的程序。2.面向对象方法详见P51.2.2程序设计步骤1.分析问题2.建立数学模型3.选择算法4.编写程序5.调试运行6.分析结果7.写出程序的文档第二章算法2.1算法概述1.算法：计算机解题的方法和步骤.2.算法特征：（1）有穷性一个算法必须总是在执行有限步骤之后结束。（2）确定性算法中的每一个步骤应当是确定的，无二义性；相同的输入只能得出相同的输出。（3）可行性算法中的每步骤都是有效地执行。（4）有零个或多个输入（5）有一个或多个输出3.算法的分类：（1）数字运算:用于求数值解,此类算法有现成的模型，运用较成熟.（2）非数字运算:用于非数据处理的一些事务性工作，此类算法面广量大，要求各异，有一定难度.2.2算法特点计算机特别适合做大量的重复性操作，如连续加、连续乘或者其他连续判断或处理。计算机对于大量的重复性操作，并非一次性完成，而是每次按部就班，循环往复重复前一次的操作,即每次操作方法（即循环体）相同，但操作数据不同而已。例如，求1，2，…10的累加和，其程序如下：doi=1,10!循环语句s=s+i!循环体enddo上述循环所要执行的重复操作是：s=s+i(即循环体),但每一次循环时，循环体的操作数据s,i的值是不同的。.2.3算法的表示方法（1）传统流程图即用有向线段将描述算法步骤的各功能框连接起来.如下图所示：图(a)顺序结构图(b)选择结构AB条件PAB真假图(c)当型循环结构图(d)直到型循环结构循环条件循环体循环体循环条件真假假真（2）N-S流程图它是一种去掉流程线的流程图,称为盒图.N-S流程图形式如下图所示：AB图(a)顺序结构图(b)选择结构图(c)当型循环结构图(d)直到型循环结构当执行循环的条件成立循环体直到退出循环的条件成立循环体条件真假AB第三章FORTRAN语言简介3.1FORTRAN语言概述1.何谓FORTRAN语言？FORTRAN是英文“FORmulaTRANslate”的缩写,即中文的“公式翻译器”之意。FORTRAN语言是一种用于科学计算的程序设计语言。2.何谓FORTRAN源程序？用FORTRAN语言编制的程序，称为FORTRAN源程序。举例:编制FORTRAN源程序ex02_01.f90,求x、y、z的平均值aver。PROGRAMex02_01READ*，x,y,zaver=（x+y+z）/3PRINT*，averEND3.2FORTRAN程序的执行过程3.3FORTRAN语言的发展历程（1）1951年，JohnBackus在纽约首次提出FORTRAN语言，并于1954年对外发布，称FORTRANⅠ。（2）1958年，扩充和完善FORTRANⅠ,推出FORTRANⅡ。（3）1960年，推出FORTRANⅢ，但没有在计算机上实现。（4）1963年，推出了FORTRANⅣ。没有充分考虑兼容性。（5）1966年，推出FORTRAN66美国标准，后被ISO采用。（6）1978年，推出FORTRAN77，兼容性好，结构化特征。（7）1991年，推出FORTRAN90现代语言，可视化编程。（8）1997年，公布FORTRAN95标准，并行运算的支持。（9）1997年，微软和数据设备公司合作推出DigitalVisualFORTRAN5.0。第四章FORTRAN语言开发环境详见教材：3.3FORTRAN语言开发环境第五章FORTRAN语言基础知识5.1字符集FORTRAN语言允许使用的字符集为：英文字母A-Z或a-z（即大、小写英文字母）阿拉伯数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9特殊符号空格=+-*/#？（），.’:“!&;$_应当注意:在FORTRAN语言中，英文字母不区分大小写，在保留字、变量名和函数名中，大、小写字母都是等价的，如REAL何real或Real是一样的。5.2名称及保留字5.2.1名称作用：用来表示FORTRAN源程序中的变量、符号常量名、数组、函数、过程等实体的名称。名称的定义（即语法描述）：由英文字母开头的31个以内的字母、数字、下划线（_）以及美元符字符序列组成。例：NUMBER、x1、root_2、y$_ab、5xy、x.y5.2.2保留字一个语句中的特定单词，如PROGRAM、END、IF、ENDIF、DO、ENDDO等，称为语句保留字。说明：FORTRAN90程序中允许用保留字作为其它实体的名称，但是一般不提倡。5.3程序单元一个完整的FORTRAN程序，应由以下程序单元构成：主程序单元外部子程序单元1PROGRAMMAINSUBROUTINESUB1（）主程序体子程序体…ENDPROGRAMEND其中主程序单元只能有1个，其它程序单元可以有0-n个。程序单元的描述详见第十章。5.4语句的排列顺序一个程序单元中语句的排列顺序如下：非执行语句程序单元可执行语句例:编制FORTRAN源程序eex5_1.f90,求x、y、z的平均值aver。PROGRAMeex5_1REALx,y,z,averREAD*，x,y,zaver=（x+y+z）/3PRINT*，averEND5.5程序的书写格式（1）固定格式：将一个语句行分为若干个区域，如下图所示：（2）自由格式：一个语句的书写不受区域的限制。FORTRAN90的源程序格式采用自由格式书写，源程序文件扩展名为.f90。例:详见eex5_1.f90的源程序格式及其扩展名。5.6数据类型5.6.1基本概念1.内部数据类型FORTRAN语言将内部数据划分为以下类型：整型实型算术型数据类型复型逻辑型字符型2.种别一个数据在内存中均占有一定字节个数的存储单元。上述每类数据都有其不同的种别（即Kind）特性，即上述每类数据根据其种别特性（即Kind值）的不同分别拥有不同字节个数的存储单元。3.数据对象1）常量：程序运行时，其值不能改变的量，称为常量。如:5,3等等。2）变量：程序运行时，其值可以改变的量，如:变量a,a是一个存储单元。5.6.2常量整型、实型、复型常量是一个代数值；逻辑型常量是一个逻辑值（.true.或.false.）；字符型常量是一个字符串。以上常量均以书写方式确定其类型。5.6.2.1整型常量整型常量表示普通代数中的整数。十进制整型常量的一般形式：±n[_Kind值]其中:±是该整型常量的符号。n是一个十进制数字(0~9)序列。Kind值为：1、2、4、8之一。分别表示1、2、4、8个字节个数。FORTRAN90/95标准中整型常量的范围没有明确规定。例如：122、0、-36、559_2均为合法的整型常量100.0、100，000、1000、1002均为非法的整型常量5.6.2.2实型常量实型常量表示普通代数中的小数或指数。1.小数实型常量一般形式：±n.m或±n.或±.m其中：n、m是十进制数字序列。n是整数值，m是小数值。例：12.0、0.12、12.、.122.指数实型常量一般形式：±n.mE±s或±nE±s其中：n、m是十进制数字序列。n是整数值，m是小数值。E±s是指数部分，表示10的几次方。其中：E是指数符号，s是指数数值，±是指数数符。例:指数实型常量：12E20.12E-22E51E-10相应代数值:12x1020.12x10-22x1051x10-10注意：单独的指数部分不能构成一个实型常量。例：E55.6.2.3复型常量表示普通代数中的复数。即：a±bi（其中a是实部，b是虚部）一般形式：（a，b）例：（-3，5）！表示复数：-3+5i（0，1）！表示复数：i（2.4，-2.5E2）！表示复数：2.4-2.5x102i5.6.2.4字符型常量在程序中用以表示文字等非数值信息。一般形式：‘字符串’或“字符串”其中:字符串可以是字母、数字、汉字、特殊符号。通常字符串中字符的个数称为字符长度。例：PRINT*，’南京信息工程大学’PRINT*，”a+b=”,a＋b说明：1)引号(‘’或“”）是字符串的分隔符，并非字符常量的一部分。2)字符串中的空白符有意义，要计数的。例：“AB”,其字符长度是3。3)当字符长度为0时，即为空串。4)字符串内的字母区分大小写，‘a’和‘A’是不同的字符常量。5)如果字符串中含有单引号，则这个单引号要用两个连续的单引号表示，如：‘I’’maboy.’。或者单引号和双引号交替使用，如“I’maboy.”。5.6.2.5逻辑型常量在程序中用以表示某个条件（关系表达式和逻辑表达式）的判别结果。一般形式：.TRUE.即为逻辑真（表示判别条件成立）。.FALSE.即为逻辑假（表示判别条件不成立）。例：条件53的判别结果是.TRUE.，表示判别条件53成立。条件31的判别结果是.FALSE.，表示判别条件31不成立。说明：1.逻辑常量仅有两个，.TRUE.（真）和.FALSE.（假）。注意：逻辑常量两侧的两个小数点不能省略。逻辑型常量是具有逻辑型数据类型的非数值数据，又称为逻辑值或布尔值。2.对于逻辑值.TRUE.，在其存储单元字节内每位为“1”，可视为整数值-1；对于逻辑值.FALSE.，在其存储单元字节内每位为“0”，可视为整数值0，它们均能参与整数运算。如7+.FALSE.，结果仍为7。1+.TRUE.，结果则为0。5.6.2.6符号常量用一个符号所表示的常量值，称为符号常量。例如，圆周率、重力加速度等。使用符号常量时，应当用参数语句（PARAMETER语句）对符号常量予以声明。PROGRAMex05_01IMPLICITNONEREALpiPARAMETER(pi=3.1415926)!定义pi为符号常量3.1415926WRITE(*,*)sin(pi/6)END变量是数据的存储单元。不同类型的变量存储不同类型的数值。整型、实型、复型变量存储一个（或一对）代数值，逻辑型变量存储一个逻辑值（.true.或.false.）,字符型变量存储一个字符串。以上变量均以类型声明确定其类型。5.6.3.1变量的种别变量的种别,是指一个变量由几个字节组成。其种别值（即kind值）与常量相同。5.6.3.2变量的类型变量的类型均用类型说明（或称类型声明）指定。其目的是通知编译系统为变量分配存储单元，以便存放程序中的数据。显式类型说明类型说明方式隐式类型说明5.6.3变量1.显式类型说明由类型说明（声明）语句指明变量的类型。类型说明语句的一般形式：INTEGER[(kind值)]变量名表！整型变量类型说明语句REAL[(kind值)]变量名表！实型变量类型说明语句COMPLEX[(kind值)]变量名表！复型变量类型说明语句LOGICAL[(kind值)]变量名表！逻辑型变量说明语句CHARACTER[(kind值)]变量名表！字符型变量类型说明语句其中：1)变量名表：用逗号隔开的一系列变量名。例如：INTEGER(2)a,b,c!a,b,c为变量名表中的变量。2)INTEGER、REAL,…等为类型说明语句的保留字，称为类型说明符。例如：INTEGER(2)a,b,c!INTEGER为类型说明符。3)[（kind值）[=n]]:为变量的种别值,用以说明变量名表中的