Fortran 2003：完美还是虚幻？

心灯

本文发表于2004年10月《程序员》
“Fortran 2003！面向对象的Fortran！自由、开放的Fortran！拥抱Fortran 2003吧！”我手舞足蹈、兴奋异常。

“Fortran 2003？你发什么颠？”地球物理系一位戴着宽边眼镜的博士生拦住了我，鄙夷的目光从厚重的眼镜片里直射过来，“我昨天才用Fortran 77做完了课题。你说的‘面向对象’、‘自由’、‘开放’什么的，都是你们程序员的鬼把戏吧？它们能让我的SCI论文数量翻番吗？能让我提前评上副教 吗？”

“……”

1. 不断变革的Fortran

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2004 年5月，Fortran 2003，这个新世纪里诞生的Fortran语言新标准，终于在ISO、IEC的联合工作组JTC1/SC22/WG5以及美国Fortran委员会 NCITS/J3的共同努力下，走完了编撰、修订的最后一步。不出意外的话，再过一两年，支持Fortran 2003的开发工具就会充斥Fortran世界；那些仍在坚守Fortran 77阵地的老用户们也会自然而然地把质疑的目光从Fortran 90/95投向更富有革命精神的Fortran 2003。

要了解Fortran 2003，我们有必要先简单回顾一下Fortran语言的历史。

1954 到1957年间，世界上第一种高级程序设计语言——Fortran诞生于IBM公司。Fortran这个名字的原意是IBM Mathematical FORmula TRANslation，其设计目的在于为科研人员提供一种符合数学思维习惯的高级语言，以满足科学计算的需要。1960年代，在美苏太空竞赛的大背景 下，在国防、教育和科研领域对高性能计算工具的迫切需求下，Fortran语言蓬勃发展，成为了当时统治计算机世界的高级语言之王。

1962 年，为了统一不同公司、不同硬件平台上的Fortran语言，人们开始了Fortran语言标准化的尝试，这也是程序设计语言发展史上的第一次标准化历 程。1972年，Fortran 66标准（标准编号来自标准草案的制定时间）正式发布。但因为标准文档过于简单，约束力不强，Fortran 66标准发布后，Fortran语言的统一问题并没有得到彻底解决。

1978年，Fortran语言标准的第一个修订版本正式发布，这就是 我们熟悉的Fortran 77了。Fortran 77细致描述了Fortran语言的各种特征，让Fortran成了一种真正规范、高效和强大的结构化程序设计语言。此后，无数性能优异的Fortran 77编译器和开发工具的问世更是让Fortran 77成为了几乎所有理工科学生的必修课。

尽管Fortran 77的影响力一直延续到了今天，但Fortran语言不断变革的历程却从未停止过。为了改变Fortran 77那种老旧的、从打孔卡片遗传来的语言风格，为了给Fortran注入更多的现代特征，人们于1991年发布了崭新的Fortran 90标准。除了自由的代码风格外，Fortran 90还为Fortran语言引入了模块、接口、自定义（派生）数据类型和运算符、可动态分配和参与复杂运算的数组、泛型过程、指针、递归等重要的语法特 征。这不但使结构化的Fortran语言更趋完善，也使其具备了少量的面向对象特性。

1997年发布的Fortran 95标准在Fortran 90的基础上，吸收了HPF语言（High Performance Fortran，Fortran语言在并行环境下的一个变种）的优点，提高了Fortran语言在并行任务中的表达和计算能力，并进一步完善了派生类型、 指针、数组等要素的相关语法。

以Fortran 66为基准，我们可以把后续的Fortran 77/90/95以及本文介绍的Fortran 2003均视为对Fortran语言标准的修订。在历次修订中，Fortran 77和Fortran 95是修订幅度相对较小的版本，而Fortran 90和Fortran 2003则是锐意变革的“大修”版本。如果说Fortran 90是在“形式”上让Fortran脱胎换骨的话，那么，Fortran 2003就近乎彻底地解决了Fortran语言现代化的问题：完整的面向对象机制、灵活的语法特征、统一的接口标准……这些难道还不足以让Fortran 迷们跃跃欲试吗？

2. 面向对象的Fortran

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从 结构化程序设计到面向对象，这是大多数高级语言的发展、演变规律，Fortran也未能免俗。在Fortran 77中，由于缺乏对数据抽象和数据封装的基本支持，人们很难引入面向对象的理念和方法。在Fortran 90/95中，尽管我们可以用派生类型（Derived Type）和模块（Module）模拟一部分面向对象的特性，但却无法实现真正意义上的封装和继承。

对数据和相关操作的封装是面向对象的基 础。传统的结构化程序设计语言大多拥有简单的数据封装能力（如Pascal语言中的record），但缺乏对操作封装的支持。当我们为结构化程序设计语言 引入面向对象机制时，在语法层面一般有两种思路：一种是引入一个全新的语法容器，允许用户借助该容器定义出封装了数据和操作的统一数据类型，例如，C++ 在C语言的基础上扩展出了class的概念，并以class为中心支持面向对象编程；另一种是通过某种机制，将原有的数据封装容器和表述操作的过程或函数 捏合在一起，例如，Ada 95利用Ada 83中已有的概念，将private type和相关操作封装在package中，创建了完整的面向对象机制。Fortran 2003对Fortran 90/95的改造正是遵循着后一种思路进行的。

首先，Fortran 2003第一次引入了过程指针（Procedure Pointer）的概念。Fortran 90/95只支持普通指针。为了实现回调机制，Fortran 90/95特意引入了用过程名充当形式参数（Dummy Procedure）的语法，但这种语法还无法解决在数据类型中内嵌相关操作的问题。在Fortran 2003中，我们可以使用过程指针将数据和操作绑定在一起：

TYPE point
REAL :: x, y
PROCEDURE (testif), POINTER :: test
END TYPE
这种绑定是一种运行时的动态绑定，我们可以根据需要为过程指针赋值，这类似于我们在C语言的struct中嵌入函数指针。

其次，如果与类型相关的操作在编译时已经预知，我们就可以直接使用Fortran 2003提供的类型绑定过程（Type-bound Procedure），将数据和操作关联在一起：

TYPE point
REAL :: x, y
CONTAINS
PROCEDURE :: test => my_test
END TYPE
这样，在同一个模块中，类型和相关操作相互关联，用户可以直接使用CALL p1%test或类似的代码来访问特定操作，这已经非常近似于Ada 95的封装机制了。

和C++或Java语言相比，Fortran 2003的这种过程绑定方式较为靠近语言设计的底层。例如，对于绑定在point类型中的my_test过程，我们必须显示指明，该过程的第一个参数为point类型：

SUBROUTINE my_test(a)
TYPE(point), INTENT(IN) :: a
END SUBROUTINE
这 里的参数a相当于C++或Java方法中隐含的this参数，其目的是将调用该操作的对象实例传入过程。我把这种显示实现this参数的做法称为“赤裸裸 的面向对象”。尽管写起来稍嫌繁琐，但这种“赤裸裸”的做法也有不少好处。例如，我们可以在Fortran 2003中使用NOPASS属性禁止传递对象实例，或通过PASS属性改变对象实例参数在过程参数表中的位置。

Fortran 90/95已经允许用户自定义运算符过程。现在，Fortran 2003则进一步允许用户将运算符过程绑定到特定的类型，其方法和绑定普通过程类似：

TYPE point
REAL :: x, y
CONTAINS
GENERIC :: OPERATOR(+) => plus
GENERIC :: ASSIGNMENT(=) => assign
END TYPE
有 了完善的数据和操作封装机制，Fortran 90/95中简单的访问权限控制属性——PRIVATE和PUBLIC就不能满足要求了。Fortran 2003扩展了PRIVATE和PUBLIC的使用范围，允许PRIVATE类型中出现PUBLIC成员，同时又增加了PROTECTED属性，以限定某 个成员的取值只能由自己所属的模块修改。

Fortran 2003增强了派生类型的初始化和构造语法。尽管我们在Fortran 2003中还不能像在C++里那样随心所欲地定义各种构造函数，但仍可以较精确地控制对象的初始化过程。此外，Fortran 2003允许我们为类型定义终结子例程（Final Subroutine），以完成对象销毁时的清理工作。终结子例程可以定义多个，像这样：

TYPE point
REAL :: x, y
CONTAINS
FINAL :: finish1, finish2
END TYPE
在Fortran 2003中，继承机制是通过类型扩展（Type Extension）实现的。相关的语法和大多数面向对象语言的继承机制没有什么不同：

TYPE, EXTENDS(point) :: funny_point
LOGICAL :: funny = .TRUE.
END TYPE
在扩展类型中，可以直接通过基类型的名称来引用基类型的成员，这类似于C++中引用基类成员的语法。

单 从封装和继承这两个层面看来，Fortran 2003对Fortran 90/95的扩展就是革命性的。当年，Fortran 90刚问世的时候，许多人迫不及待地宣称Fortran已经是面向对象的语言了。殊不知，Fortran 90/95中的面向对象机制还不如Visual Basic 6.0中的类模块（Class Module）来得成熟，更不要说与真正面向对象的Fortran 2003相提并论了。

心灯

3. 自由的Fortran

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灵活性一直是Fortran语言的一个弱项。早期的Fortran甚至不支持内存的动态分配。Fortran 90引入了指针的概念，全面支持数据的动态存取，同时也引入了泛型过程（Generic Procedure）的机制，以支持与C++的函数重载类似的功能。在此基础上，Fortran 2003通过参数化派生类型、覆盖、多态型等机制，进一步增强了Fortran语言的灵活性。例如：

TYPE point(k, n)
        INTEGER, KIND :: k = KIND(0.0D0)
        INTEGER, LEN :: n
        REAL(KIND=k) :: x, y
        CHARACTER(LEN=n) :: name
END TYPE
基于上面这样的参数化派生类型（Parameterized Derived Type），我们可以在定义对象时，根据需要指定对象的具体类型参数，也可以在程序运行期间，动态指定可分配内存对象的类型参数（Deferred Type Parameter）。

除了Fortran 90已经实现的重载（Overloading）机制以外，Fortran 2003还允许扩展类型覆盖（Overriding）基类型中的类型绑定过程。更重要的是，Fortran 2003通过抽象类型（Abstract Type）、延迟绑定（Deferred Binding）、多态实体（Polymorphic Entity）、类型选择结构（SELECT TYPE）等要素完整地实现了面向对象语言必备的多态机制。举例来说，我们可以声明下面这样的抽象类型：

TYPE, ABSTRACT :: point        
        REAL :: x, y
CONTAINS
        PROCEDURE(testif), DEFERRED :: test
END TYPE
ABSTRACT INTERFACE
        SUBROUTINE testif(p)
                CLASS(point), INTENT(in) :: p
        END SUBROUTINE
END INTERFACE
上述代码相当于在C++或Java语言中声明了一个抽象类，其中的test过程相当于C++语言中的一个纯虚函数，只有接口声明，而没有实现代码。在此基础上，我们可以从抽象类型point扩展出具体的子类型。

当某个对象的具体类型在运行时才能确定时，我们可以用CLASS关键字（这里的CLASS指的是一组有继承关系的类型，与C++中的class并不等同）定义一个具有多态功能的指针或可分配对象：

CLASS(point), POINTER :: p
现在，指针p可以指向任何由point扩展的具体类型的对象，这种使用方式已经和我们在C++中用基类指针引用派生类对象的做法一模一样了。使用这种具有多态性特征的实体时，我们还可以用Fortran 2003提供的内部过程SAME_TYPE_AS和EXTENDS_TYPE_OF来判定对象的类型，这是一种简单的运行时类型识别（RTTI）机制，其功能和C++语言中的typeid关键字相仿。

更有趣的是，Fortran 2003允许代码根据多态实体的实际类型，在运行时执行特定的程序流程：

CLASS(point), POINTER :: p
p => a
SELECT TYPE ( pp => p )
TYPE IS (point_3d)
        PRINT *, pp%z
TYPE IS (point_2d)
        PRINT *, pp%x
END SELECT
这种语法在程序设计语言中比较少见。在Java或C#等具备较强的RTTI和Reflection功能的语言中，我们可以用switch语句结合类型标识实现类似的功能，如下面的C#代码：

void foo(Point p) {
        switch(p.GetType().FullName) {
                case "Science.Point2D":
                        MessageBox.Show("2D point");
                        break;
                case "Science.Point3D":
                        MessageBox.Show("3D point");
                        break;
        }
}
但在Fortran这样不依赖于虚拟机和中间代码的纯编译型语言中，能够拥有如此方便的SELECT TYPE语句，实在是Fortran用户的一大幸事。

其他一些较小的语法功能扩充也能反映出Fortran 2003制定者对语言灵活性的追求。比方说，ASSOCIATE语句可以让Fortran用户体验到比C语言的宏定义更为便捷的复杂表达式替换功能：

ASSOCIATE ( Z => EXP(-(X**2+Y**2)) * COS(THETA) )
        PRINT *, A+Z, A-Z
END ASSOCIATE
再比方说，在Fortran 2003中，可以拥有ALLOCATABLE属性的变量已不再限于数组对象，参数化派生类型的对象也可以在定义时省略参数，而在动态分配时指明：

TYPE(point(KIND(0.0D0), n=20)) :: a
TYPE(point(KIND(0.0D0), n=:)),ALLOCATABLE :: b
ALLOCATE(b,SOURCE=a)
对于科学计算语言中最重要的数组（矩阵）操作，Fortran 2003也提供了更多的新功能。例如，为可动态分配的数组变量赋值时，目标数组的形状可以根据源数组的形状自动调整，并自动完成内存空间的重新分配，用户也可以使用新增的MOVE_ALLOC内部过程强制改变某个数组的形状：

REAL, ALLOCATABLE :: a(:), temp(:)
ALLOCATE(a(-n:n)
ALLOCATE(temp(-2*n:2*n))
temp(::2) = a
CALL MOVE_ALLOC(TO=a, FROM=temp)
Fortran 2003允许我们为指针类型的参数增加INTENT属性，这为那些与动态数据结构（如链表）相关的算法程序提供了更多的选择空间。Fortran 2003引入了IMPORT语句，允许接口声明中引用接口所在模块内的相关定义。Fortran 2003还允许我们在USE语句中，改变被引用模块内自定义运算符的名称。

总之，借助Fortran 2003提供的更加灵活的语法特性，我们能更容易地编写出可以适应不同数据类型、不同应用环境的可复用代码。对于Fortran语言拓展应用领域、发掘潜在用户的目标而言，这些灵活性都是至关重要和不可或缺的。

4. 高性能的Fortran

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与其他科学计算语言或工具相比，Fortran语言在性能上历来是出类拔萃的。因为语言本身专门针对数值计算、矩阵处理等功能进行了优化，大多数Fortran编译器产生的可执行代码在效率上甚至会超过以高效著称的C或C++语言。为了在高性能的并行处理系统（如IBM的“深蓝”和我国的“曙光”）上获得更出色的执行效率，Fortran 95还特意吸收了HPF语言的优点，为Fortran语言增添了若干支持并行计算的语法特征（比如著名的FORALL语句和PURE过程）。

继续改进Fortran语言的计算性能当然也是Fortran 2003的任务之一。一个最明显的例子是，Fortran 2003引入了VOLATILE属性。这个属性类似于C语言或Java语言中的volatile关键字。编写过并发或实时应用的程序员都知道这个含义为“易变”的关键字的价值：在并发系统中，如果没有这个关键字的帮助，我们就必须时刻警惕共享数据的取值是否已被正确刷新。

不过，相对而言，Fortran语言本身的并行计算机制仍不算十分健全。编写并发或实时程序时，Ada语言中的任务（Task）管理和同步（Synchronization）机制，或是Java语言中的多线程同步特性都可以为程序员提供更有力的支持。

实际上，Fortran 95和Fortran 2003陆续引入并行语法的目的之一是消除标准Fortran语言与已经存在并得到广泛应用的各种Fortran语言变种之间的隔阂，允许同一份Fortran代码在不同的语言环境间移植。至少到Fortran 2003为止，标准Fortran语言还没有能力完全替代以HPF为代表的“高性能”Fortran语言变种。仅就适应高性能并行计算环境的能力而言， HPF等Fortran变种也仍有足够的理由继续存在和发展，直到未来某一个大而全的Fortran标准把它们真正统一起来为止。

为了适应现代CPU的时钟精度，Fortran 2003扩展了内部过程SYSTEM_CLOCK的功能，允许其COUNT_RATE参数为INTEGER或REAL类型。

对IEEE浮点数标准（IEEE 754）的完全支持是Fortran 2003在提高计算精确度和规范性方面的又一个努力。在Fortran 2003中，IEEE标准中描述的下溢（Underflow）可以被正确识别和处理，内部模块IEEE_ARITHMETIC中也为此增加了IEEE_SUPPORT_UNDERFLOW_CONTROL、IEEE_GET_UNDERFLOW_MODE、IEEE_SET_UNDERFLOW_MODE等几个相关的内部过程。

另一个可以大幅提升程序执行效率的改进是Fortran 2003新增加的异步I/O机制。也就是说，执行比较耗时的I/O操作时，程序不必阻塞在I/O语句上，可以继续执行后续的指令。这种机制类似于我们用WIN32函数操作磁盘文件时，可以借助FILE_FLAG_OVERLAPPED标记指明I/O操作应异步进行。

基于Fortran 2003，当我们在外部文件的OPEN语句中指明ASYNCHRONOUS=’YES’时，后续拥有ASYNCHRONOUS=’YES’属性的READ或WRITE语句即以异步方式执行。此后，我们可以继续执行其他语句，或使用WAIT语句等待异步I/O执行完毕。

异步I/O是高性能应用软件必备的特性之一。在Fortran 90/95的时代里，为了实现异步I/O功能，不同的开发商总会在自己的Fortran编译器或程序库中以各自不同的方式，增加对异步I/O的支持。Fortran 2003统一异步I/O语法的做法显然有助于Fortran应用的移植和推广。

5. 开放的Fortran

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传统意义上的Fortran语言看上去并不那么开放，这恐怕和Fortran语言向来只注重科学计算，而忽视语言通用性的习惯有关。中国的Fortran用户最常抱怨的两件事情是：不同的Fortran编译器连接外部程序（如C语言程序或Matlab程序）的方法不尽相同，不同的Fortran编译器对中文的支持能力也强弱有别。人们迫切希望制定Fortran标准的专家们能体谅到最终用户的苦衷，尽早将Fortran纳入开放、规范的发展轨道。

在开放性方面，Fortran 2003为我们带来的第一个福音是，新标准终于规范了Fortran语言与C语言的连接方式。Fortran 2003提供了一个名为ISO_C_BINDING的内部模块，该模块定义了Fortran与C语言连接时必需的类型常量。引用了ISO_C_BINDING模块后，我们就可以将Fortran变量定义成与C语言数据结构兼容的数据类型：

REAL(C_FLOAT), DIMENSION(100) :: ALPHA
或者利用C_PTR、C_FUNPTR类型与C语言中的指针或函数指针交互操作：

TYPE(C_PTR) :: BETA
IF (.NOT. C_ASSOCIATED(BETA)) THEN
        BETA = C_LOC(ALPHA)
END IF
对于下面这样的C语言函数：

int foo(void* buf, int count, int *ret)
它对应的Fortran函数接口是：

INTERFACE
        INTEGER (C_INT) FUNCTION foo &
        (buf, count, ret), BIND(C, NAME='foo')
                USE ISO_C_BINDING
                TYPE (C_PTR), VALUE :: buf
                INTEGER (C_INT), VALUE :: count
                TYPE (C_PTR), VALUE :: ret
        END FUNCTION
END INTERFACE
这样，C语言和Fortran语言就可以通过上述接口相互调用。当Fortran语言和C语言之间拥有了统一的连接方式后，Fortran语言与其他语言之间的连接也就不再是困难重重的事了。借助ISO_C_BINDING模块，Fortran语言可以直接（在二进制层面连接）或间接（以C语言为媒介）地与Delphi、C++、Ada、Java、C#等我们常见的通用编程语言交流、沟通。

在国际化方面，Fortran 90已经为Fortran引入了不少国际化支持功能。Fortran 2003则全面支持ISO 10646标准，可以正确处理双字节或四字节的国际字符集。Fortran 2003程序可以通过SELECTED_CHAR_KIND内部过程指明字符数据的编码方式；打开文件时，可以在OPEN语句内利用ENCODING=’UTF-8’或类似的方式指明文件内字符的编码；可以在读写文件时完成ASCII、ISO 10646、UTF-8之间的转换；Fortran 2003代码本身的字符集，以及标识符和字符串常量的长度范围也有所扩充。

另一个和开放性相关的新特性是Fortran 2003对流I/O（Stream Access Input/Output）的支持。作为一种以科学计算为目的的语言，传统的Fortran只提供了读写以记录为单位的外部文件的语法。在单纯的科学计算任务里，这种简单的I/O功能也许可以满足文件读写的需要，但当我们希望Fortran程序和外部应用交换数据的时候，有时就不得不面对如何读取没有固定记录结构的字节流数据的问题了。在Fortran 2003发布以前，我们只能通过编译器提供的扩展功能解决问题。现在，我们可以用标准的方式，在Fortran语言中随机访问外部文件的字节数据。应当说，直到Fortran 2003，Fortran语言才拥有了与C语言的I/O库大致相仿的I/O功能，才在I/O领域具备了通用语言的基本特征。

当我们在C语言中通过main函数的argc和argv参数获取命令行参数的时候，也许我们不会想到，在传统的Fortran语言中，要完成类似的任务，Fortran用户也必须求助于编译器提供的扩展功能。Fortran 2003显著增强了Fortran语言与外部环境的沟通能力。新引入的内部模块ISO_FORTRAN_ENV拥有INPUT_UNIT、OUTPUT_UNIT、ERROR_UNIT这一组对应于标准输入输出的常量（相当于C语言里的stdin、stdout和stderr），拥有GET_COMMAND、GET_COMMAND_ARGUMENT等获取命令行指令，以及GET_ENVIRONMENT_VARIABLE等访问环境变量或系统参数的内部过程。这些都是Fortran语言走向开放的重要标志。

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还是90用的习惯