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Teil 4

FORTRAN

Inhaltsübersicht HPS WS 2003/04

- - Grundlagen (1,2)- Konzepte imperativer Programmiersprachen (2,3)- Deklarative Programmiersprachen (4)- Objektorientierte Programmiersprachen (5,6)- Programmierung von Smart Cards: Java Card (7)- Wissenschaftliches Rechnen: Fortran (8)- Wirtschaftsanwendungen: Cobol (8, 9)- Skriptsprachen (9)

- Formale Semantik - Operationale Semantik mit ASMs (10) - Operationale Semantik mit natürlicher Semantik und SOS (11) - Denotationelle Semantik (12, 13) - Axiomatische Semantik (14)

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Teil 4

●FORTRAN● (FORmula TRANslator)

● Fortran I: 1954

● Fortran IV: 1966

● Fortran 77: 1977

● Fortran 90: 1990

● Fortran 95: 1995

● high performance FORTRAN (HPF): Fortran 90 für SIMD-Rechner

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Programmformate

● Festes Programmformat

– veraltet

– Ursprung im Lochkartenformat

● Freies Programmformat

– Alle neueren FORTRAN Versionen

● Standardzeichensatz: Großbuchstaben und _, Ziffern, Sonderzeichen

– Kleinbuchstaben äquivalent zu Großbuchstaben(Vorsicht an externen Schnittstellen: foo = FOO)

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Festes Format

● Spalte 1: Kommentarzeichen ( C , * , ! )● 1-5 Marke als Sprungziel (nat. Zahl)

beliebige Position, führende 0 ignoriert ● 6 beliebiges Zeichen kennzeichnet Fortsetzungszeile, sonst leer● 7-72 Programm● 73-80 Kommentar (fortlauf. Numerierung)

● Keine Unterscheidung Bezeichnern und Wortsymbolen ● Leerzeichen in Wortsymbolen erlaubt● Wortsymbole in Ausdrücken in der Form .gt.

d.h. mit Punkt eingegrenzt● Fortran 77: max. 8 Zeichen für Bezeichner

● Beachte:– Alle Anweisungen in Fortran beginnen mit Wortsymbol außer Zuweisung

und Definition Anweisungsfunktion (statement function)

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Beispiel

PROGRAM SUMMEC Dies ist ein Fortran 77 Programm COMMON /CB/ M CALL TOTAL WRITE (6,9) M 9 FORMAT (I10) END

SUBROUTINE TOTAL ! dies ist ein Zeilenendkommentar COMMON /CB/ ITOTAL ITOTAL = 0 DO 8 I = 1, 100 ITOTAL = 1ITOTAL + I 8 CONTINUE END2 Übersetzungseinheiten

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Beispiel Fortran 90/95

PROGRAM SUMMEC In Fortran 90/95 geht das auch so: INTEGER ITOTAL CALL TOTAL(100) PRINT *, ITOTAL

CONTAINS

SUBROUTINE TOTAL(N) ITOTAL = 0 DO I = 1, N ITOTAL = ITOTAL + I END DO END SUBROUTINE TOTAL

END PROGRAM SUMME1 Übersetzungseinheit

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Beispiel Fortran 90/95 mit Modul

MODULE SUMMIEREN CONTAINS FUNCTION TOTAL(N) INTEGER TOTAL, N, I TOTAL = 0 DO I = 1, N TOTAL = TOTAL + I END DO END FUNCTION TOTAL END MODULE SUMMIEREN

PROGRAM SUMMEC In Fortran 90/95 geht das auch so: USE SUMMIEREN PRINT *, TOTAL (100) END PROGRAM SUMME2 Übersetzungseinheiten

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Freies Format

● Zeilen bis 132 Zeichen,

● Spaltenposition bedeutungslos

● Strichpunkt trennt mehrere Anweisungen auf gleicher Zeile

● Fortsetzungszeichen: & am Zeilenende

● Leerzeichen in Wortsymbolen verboten

● max. 31 Zeichen für Bezeichner

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Klassifikation

Unterscheide

● Ausführbare Anweisungen

– ASSIGN, DO, PRINT, IF, END IF,...

● Nichtausführbare Anweisungen:

– Spezifikationsanweisungen

● FORMAT, COMMON, DATA,...

– Typvereinbarungen (in Wahrheit Variablenvereinbarungen)

● INTEGER, COMPLEX,...

– Strukturierungsanweisungen

● FUNCTION, SUBROUTINE, MODULE,...

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Türme von Hanoi

program hanoi write (6,*) 'Wert fuer N an: '; read (5,*) n call hanoi0 (n,'A','B','C')

contains

subroutine move (von,nach) ...end subroutine move

recursive subroutine hanoi0 (n,von,nach,ueber) integer :: n

character :: von, nach, ueberif (n .eq. 1) then call move (von, nach) else if (n .gt. 1) then

call hanoi0 (n-1, von, ueber, nach) call move (von, nach)

call hanoi0 (n-1, ueber, nach, von) end if

end subroutine hanoi0end program hanoi

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Programmaufbau

– Hauptprogramm, ausführbar:

● PROGRAM name ... CONTAINS ... END PROGRAM name

– Externes Unterprogramm, ausführbar:

● SUBROUTINE name ... CONTAINS ... END SUBROUTINE name

● FUNCTION name ... CONTAINS ... END FUNCTION name

– Modul, nicht ausführbar:

● MODULE name ... CONTAINS ... END MODULE name

– Block-Data, nicht ausführbar:

● BLOCK DATA name ... END BLOCK DATA name

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Vordefinierte Datentypen

● INTEGER: Ausschnitt der ganzen Zahlen, parametrisiert mit KIND Attribut ● REAL: Annäherung an reelle Zahlen mit KIND ● COMPLEX: KIND wie REAL ● LOGICAL: Boolesche Werte, KIND für Anzahl Bytes● CHARACTER: KIND für Zeichendarstellung, LEN für Anzahl Bytes

● KIND: Parametrisierung kennzeichnet Genauigkeit/Werteumfang, z.B.– INTEGER (KIND = HIGH) zufall– INTEGER (KIND = SHORT) wochentag– COMPLEX (KIND = HIGH) z

● HIGH, SHORT, ... benannte ganzzahlige Konstante● Fortran 77: Neben Typ REAL noch DOUBLE PRECISION● Vereinbarungen in der Form

– INTEGER i,j ! alt– INTEGER (Zusätze) i,j ! alt, z.B. Zusatz SAVE: Wert erhalten– INTEGER :: i,j ! neu– INTEGER, Zusätze :: i,j ! neu

● implizite Vereinbarung: Bezeichner beginnend mit I,J,K,L,M,N ganzzahlig, sonst real

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Weitere Datentypen

– Reihungen

● statische● offene

– Verbunde

– Zeiger und Ziele von Zeigern

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Statische Reihungen

● Reihungen spaltenweise gespeichert! (column major order)● reihung ::= typ [par][, attribute]

[, DIMENSION ( indexgrenzen )]:: name [( indexgrenzen )][=ausdruck]● indexgrenzen ::= [untergrenze : ] obergrenze● untergrenze und obergrenze konstant● Indexgrenzen gehören zum Typ● INTEGER A(100) ! Untergrenze 1● REAL, DIMENSION(0:100,0:100) :: x

– mit Initialisierung durch DATA Anweisung:● REAL :: x (100,100)= RESHAPE((/ ((1.0,K=1,J-1),& (0.0,K=J,100), J=1,100) /), SHAPE = (/ 100, 100 /) )

● REAL :: y (100,100)DATA ((y (K,J), K=1,J-1), J= 1,100) / 4050*1.0 /DATA ((y (K,J), K=J,100), J= 1,100) / 5050*0.0 /

● Reihungszugriff:– a(i,j) ! kein Unterschied zu Funktionsaufruf– a(i,:) ! i-te Zeile– a(i,10:1:-1) ! Elemente ai,10, ai,9,...,ai,1

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Equivalence Anweisung

● Ziel: Überlagerung mehrerer Variablen, meistens Reihungen, im Speicher

● Methode: Angabe von Gruppen von Variablen, insbesondere Reihungselementen, die den gleichen Speicherplatz einnehmen sollen; der Rest der Reihungen wird dann entsprechend überlagert. Vorsicht! Widersprüche werden beanstandet!

– REAL A(10,10), B(100)EQUIVALENCE (A,B)

– REAL A(100)COMPLEX Z(50)EQUIVALENCE (A,Z)

– REAL A(100)REAL X,Y,Z(98)EQUIVALENCE (Y,A(1)),(X,A(100)),(Z(50),A(51))

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Offene Reihungen

● Ziel wie in Pascal: Vereinbarung von Parametern oder Variablen, deren Umfang bei Aufruf oder durch explizite Allokation festgelegt wird

– Anzahl der Indexgrenzen, repräsentiert durch Doppelpunkt mit/ohne Grenzen, gehört zum Typ

SUBROUTINE f (reihung , n , m) INTEGER n, m REAL, DIMENSION(0:n,0:m) :: reihung

● REAL A(:,:)

● INTEGER, DIMENSION (:,:) :: K

● CHARACTER, ALLOCATABLE :: C (:,:)

● ALLOCATE (C(100,100))

● REAL A(2:4,*) ! Werte werden so verteilt, daß 3 Zeilen entstehen

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Verbunde

● Typdeklaration:

● typdef ::= TYPE [[,zugriffsrecht] ::] name [ PRIVATE ][ SEQUENCE ] komp* END TYPE [name]

● komp ::= typ [par][[,attribute] ::] namesliste

●

● Variablendeklaration

– vardekl ::= typ [par][[,attribute] ::] namesliste Komponentenzugriff:

– zugriff ::= verbundname % komponentenname

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Zeiger und ihre Ziele

– zeiger ::= typ [par][,attribute], POINTER :: name [(:[,:]*)]

– ziel ::= typ [par][,attribute], TARGET :: name[( indexgrenzen )][=ausdruck]

– Rekursive Datenstrukturen● TYPE liste ● INTEGER wert ● TYPE (liste), POINTER :: next ● END TYPE liste

● TYPE (liste), TARGET :: anker● TYPE (liste), POINTER :: temp, hinten

● hinten = anker ● ALLOCATE(temp)● hinten%next = temp

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Ausdrücke

● Numerische Datentypen:

– Addition, Subtraktion, Division, Exponentiation, Negation, Identität, weitere mathematische Funktionen, Vergleiche

● Vektoren und Matrizen: elementweise Operationen, Skalarprodukt, Transposition, Matrixmultiplikation, Maximum, Minimum, Summe, Produkt

● Logischer Datentyp:

– Negation, Konjunktion, Disjunktion, Äquivalenz, Antivalenz.

– Matrizen: ALL und ANY .

● Zeichen: Verkettung zu Feldern.

● Selbstdefinierte Operationen möglich.

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Prioritäten

– 1 selbstdefiniert einstellig

– 2-4 Numerische Operationen,

– 5 Verkettung,

– 6 Vergleichsoperatoren,

– 7-10 Logische Operatoren,

– 11 selbstdefinierte zweistellig

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Ablaufsteuerung

– Sprünge

– Bedingte Anweisungen und Sprünge

– Schleifen

– Prozeduren und Funktionen

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Sprünge

– goto ::= GOTO label

– berechnetes goto ::= GOTO ( label1, label2, label3 ...) skalarer numerischer ausdruck

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Bedingte Anweisungen und Fallunterscheidungen

– arithmetisches if ::= IF ( skalarer ausdruck ) label1, label2, label3

● inzwischen veraltet– logisches if ::= IF ( logischer ausdruck ) anweisung*

– block if ::= IF ( logischer ausdruck ) THEN ... [ELSE IF ...]*[ELSE ...] END IF

– Fallunterscheidung

● case ::= SELECT CASE ( ausdruck ) [CASE ( ausdruck ) ... ]* [CASE DEFAULT ... ] END SELECT

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Schleifen

– schleife ::= [name:] DO schleifensteuerung ... END DO [name]

– alt: schleife ::= [name:] DO label schleifensteuerung ... label ende anweisung– ende anweisung ::= continue | beliebig

– schleifensteuerung ::= leer | for | while

– for ::= i = anfang, ende [,increment] [,] while

– while ::= WHILE ( logischer ausdruck )

– exit ::= EXIT [name]

– cycle ::= CYCLE [name]

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Zuweisungen, forall-Schleifen

● Normale Zuweisung: Variable = Ausdruck● Zeigerzuweisung: Zeiger => Zielobjekt● maskierte Reihungszuweisung:

real A(10,10)where (A /= 0.0)

A_NEU = 1.0/Aelsewhere

A_NEU = 1.0END WHERE

● forall-Schleife: forall (I = 1:N, J = 1:M) A(I,J) = I+J– zusätzlich kann ein logischer Ausdruck einzelne Zweige ausblenden

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Prozeduren und Funktionen

● Externe und Interne Prozeduren● [RECURSIVE] FUNCTION name ...

END FUNCTION name

– Ergebnis an Funktionsname zuweisen, dieses als Variable vereinbaren● [RECURSIVE] SUBROUTINE name ... END SUBROUTINE name ● ENTRY name ... END SUBROUTINE name

– weiterer Eingang in Unterprogramm● Reine Prozeduren (PURE procedures): Prozeduren ohne Nebenwirkung (für FORALL)● Aufruf von Unterprogrammen: CALL subroutinename(...)● Parameterübergabe: Referenzaufruf oder Wert/Ergebnisaufruf, oder

INTENT(IN) INTENT(OUT) INTENT(INOUT)

● Parameter können optional sein● generische Prozedur: überladene Prozedur, zur Auflösung Argumentliste benutzen● Block Data: Unterprogramm zur (statischen) initialisierung von COMMON Zonen

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Ein-/Ausgabe

● E/A durch die Anweisungen READ, PRINT, WRITE, OPEN, CLOSE, INQUIRE, BACKSPACE, ENDFILE, REWIND (keine Prozeduraufrufe!)

● Dateien intern gekennzeichnet durch ganze Zahlen (unit number)– Standard-Eingabe: 5, Standardausgabe: 6, (Standards, wenn nichts angegeben)– unterscheide externe (echte) und interne Dateien (lokal im Programm)– Zugriffsmethoden: sequentiell, direkt

● formatierte Text-E/A: READ (UNIT=5,FMT=FMT) EA-Liste oder kürzerREAD FMT EA-Liste, analog für WRITE (PRINT erlaubt nur die Kurzform)– EA-Liste enthält Variable/Ausdruck oder Schleifen (EA-Liste, i=anfang,ende)

● auch Ausgabe von ganzen Reihungen und Verbunden erlaubt– Format FMT: * (implizite Formatierung), Textkonstante/Marke einer Formatanw.

● 'A6', 'E10.3', 'F10.3', 'I3', 'G10.3', '5I3', '3(I3,2F10.3)' formatiert Texte, reelle Zahlen mit/ohne Exponent, ganze Zahlen, beliebiges, ...

● Formatkontrolle wiederholt anwenden, wenn nicht ausreichend viele Spez.● erstes Zeichen bei Ausgabeformat: Druckersteuerung: Zwi: neue Zeile, 0: mit

Leerzeile, 1: neue Seite, +: kein Zeilenvorschub

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Module in Fortran 77

– Benannte Common Bereiche

– Partitionierung bezüglich der verwendeten globalen Daten ist Modularisierung

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Module in Fortran 90

● MODULE name

● [ use ]

● [ deklarationen ]

● [ typdefinitionen ]

● [ schnittstellen ]

● [ [ CONTAINS

● [ module-unterprogramme ] ] END MODULE

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– provide ::= INTERFACE [ OPERATOR ] name MODULE PROCEDURE

prozedurname ... END INTERFACE

– require ::= INTERFACE prozedurkopf ... END INTERFACE

Schnittstellen