PukiWiki - 2.Fortran90/95入門のバックアップ(No.5)

現在作成中です。既に書いている内容も大幅に変わる可能性が高いです。 as of 2010-04-28 (222)

担当教員 †

陰山聡

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演習日 †

2010.05.06
2010.05.13

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概要と達成目標 †

概要
1. why f? （なぜFortran95言語か）
2. f && c （Fotran95とCの同じところ）
3. ［演習］Hello, world. コンパイルと実行
4. diff f c （Fotran95とCの違うところ）
5. wonderful f （Fotran95の素晴らしいところ）
6. practical f （Fotran95によるコーディングの実際）
目標
1. この「計算科学演習I」で扱うFotranソースコードが自由に読めること。
2. 2次元拡散方程式を解くコードをFotran95言語の特性を活かして書けるようになること。

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はじめに †

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エディタとコンパイラ †

Emacsのmajorモードをf90に設定すると便利（f95モードは用意されていない）
- ミニバッファでf90-modeと打つ (Esc-x f90-mode)
- 構文の開始と終了ペアリング入力が簡単。tabキー
- ^Jで整形改行

scalar上でのコンパイルコマンドは pgf95 またはpgf90

フリーのFortran95コンパイラ
- gfortran (gnu Fortran): http://gcc.gnu.org/fortran/
- g95: http://www.g95.org/

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Fortran90/95の歴史 †

FORTRAN（全部大文字の）という言語は存在しない。
- Fortran90やFortran95という言語ならある。
FORTRAN66。
- 1966年に標準化。
FORTRAN77
- 1977年に標準化。
- if/then/else
- 広まった
Fortran90
- 1991年に標準化。
- 大幅な改訂
Fortran95
- F90からのマイナーバージョンアップ

Fortran90はFORTRAN77とは大きく違う。違う言語と考えるべき。

| f95 - f90 | << | f90 - f77 |

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why Fortran90/95? †

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正しい理由 †

計算速度が速い
- スーパーコンピュータは速さが命
- C/C++でもFortranと同じくらい速いコードは書けるが、遅いコードも書けてしまう。
- 言語としての自由度の違い。自由度が高いとコンパイラが困る。最適化ができなくなる。
便利
- 道具（言語）は目的にあったものを
- 数学的計算にはFortran90/Fotran95が適している
  - For-mula Tran-slator
- 数値計算ライブラリの抱負な蓄積。Legacyなコード。財産。

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間違った理由 †

『新しい言語を勉強するのは面倒だ。 FORTRAN77の何の不足もない。これでxx年やってきた。』

・・・Legacyな人間。時代に2010-1977=33年遅れている。

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Fortran90/95に対する偏見 †

以下全てFORTRAN66/77と誤解している。

変数名は6文字までなんでしょう？・・・そんなことはありません。
ソースコードは全部大文字なんでしょう？・・・そんなことはありません。
ソースコードは固定形式（7列目から72列目まで）なんでしょう？・・・そんなことはありません。
構造体がないんでしょう？・・・あります。普通に使います。
ポインタがないんでしょう？・・・あります。あまり使う必要はありませんが。
再帰呼び出しができなんでしょう？・・・できます。あまり使う機会はありませんが。
関数とデータをまとめてひとかたまりにする（クラス化する）ことなんてできないんでしょう？・・・できます。普通にやっています。
データ/関数の隠蔽（カプセル化）ができないんでしょう？・・・できます。いつもしています。
演算子を自分で定義することができなんでしょう？・・・できます。いつもしています。
関数や演算子の多重定義ができなんでしょう？・・・できます。いつもしています。

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Fortran90/95は現代のプログラミング言語である。 †

スーパーコンピュータ向けの言語としては最先端
特に並列計算機には
数値演算や計算機シミュレーションには最適な言語

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まだ納得できないない？では例を一つ †

部屋の中の温度場の分布から平均気温を求めよう。

温度場を3次元float配列 f(nx,ny,nz)で表す。3つの整数nx, ny, nzは不定。

平均気温＝全ての格子点(i,j,k)上でのfの値を足して格子点の総数で割る

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【演習】 †

任意サイズの3次元単精度実数（浮動小数点数）配列を受け取り、その平均値を返す関数をC言語（またはC++言語）で作れ。

scalar上でのCコンパイラ＝cc, gcc

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Fortran90/95ではこう書ける。 †

わずか4行。

 real function mean_value(f)
   real, dimension(:,:,:) :: f
   mean_value = sum(f) / (size(f,1)*size(f,2)*size(f,3))
 end function mean_value

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数式の表現が簡単な例（複素数） †

$e^{i\pi} = -1$ つまり

をFortran95で書くと、

complex :: i = (0.0,1.0)
real :: pi = 3.141593
print *,' exp(i*pi) = ', exp(i*pi)

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例（行列の計算） †

行列のかけ算はFortran90/95ではmatmulという組み込み関数を使う。行列の転置をとる組み込み関数transposeも用意されている。したがって、行列A（例えば10行10列の2次元配列）の転置と別の行列Bの積を計算しそれを行列Cとする計算、つまり

をFortran90/95で書くと、

 real, dimension(10,10) :: A, B, C
 C = matmul(transpose(A),B)

と一行で書ける。

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例（級数） †

級数

の最初の1000項の和を求めるプログラムも、式をそのまま書けばいい。まさにFormula Translation。

integer, parameter :: nterms = 1000
real, dimension(nterms) :: x, y, z
integer :: i
do i = 1 , nterms
   x(i) = 1.0 / i
   y(i) = 1.0 / (i+1)
   z(i) = 1.0 / (i+2)
end do
print *,'ans = ', sum(x*y*z)

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例（3次元ベクトル場のエネルギー） †

空間中に分布する磁場（3成分のベクトル場）

Bx(100,100,100),  By(100,100,100),  Bz(100,100,100)

の全磁気エネルギーを計算して出力するには、

print *,' energy = ', sum(Bx**2+By**2+Bz**2)/2

と一行（定義式そのもの）を書けば良い。

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diff f && c : C言語との比較によるFortran90/95入門 †

↑

定番 hello, worldプログラム †

C言語

#include <stdio.h>
main () {
  printf("hello, world.\n");
}

Fortran90/95

program hello_world
  print *, "hello, world."
end program hello_world

↑

【演習】 †

計算機「scalar」で、上のFortran90/95プログラムをエディタで入力し、ファイル名hello_world.f95として保存せよ。
ls -l コマンドでファイルを確認せよ。
hello_world.f95 をコンパイルせよ。
- pgf95 hello_world.f95

Fortran90/95では標準入出力は組み込まれている（ヘッダファイルをインクルードする必要はない）
Fortran90/95では print *で標準出力へ。
行末にセミコロン不要。
文字列はダブルクォーテーションマーク（"）で囲む。（C言語と同じ）
シングルクウォーテーションマーク（'）でも同じ意味。（これはC言語と違う）

↑

大文字・小文字 †

Fortran90/95のソースコードではアルファベットの大文字と小文字は区別しない。
- voltage と Voltage と VOLTAGE は同じ
- 文字列変数の中では区別される。

↑

予約語 †

Fortran90/95には予約語が存在しない。それが変数名かどうかコンパイラが賢く判断してくれる。

if (end==else) if=0

は文法的に問題ない。

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コメント行の書き方 †

C言語

 /* この間がコメント */

Fortran90/95

  ! 一行の中でこの文字以降がコメント（ C++やJAVAの//と同じ）

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型名 †

型	C （C99）	Fortran90/95	補註
文字	char	character
文字列	char[n+1]	character(len=n)	nは文字長
整数	int	integer	integer(kind=4）でも可
実数	float	real	real(kind=4)でも可
倍精度実数	double	real(kind=8)	kindの整数はシステム依存
「長い」整数	long	integer(kind=8でも可)	kindの整数はシステム依存
bool	_Bool	logical	値は .true. または .false.
複素数	_Complex	complex
構造体	struct	type	詳しくは後述

↑

定数 †

C言語

#define NX 100

Fortran90/95

integer, parameter :: NX = 100

↑

配列 †

↑

1次元配列 †

C言語

int array01[NX];

Fortran90/95

integer, dimension(NX) :: array01

↑

2次元配列 †

C言語

int array02[NY][NX];

Fortran90/95

integer, dimension(NX,NY) :: array02

↑

3次元配列 †

C言語

int array03[NZ][NY][NX];

Fortran90/95

integer, dimension(NX,NY,NZ) :: array03

2.Fortran90/95入門のバックアップ(No.5)

担当教員 †

演習日 †

概要と達成目標 †

はじめに †

エディタとコンパイラ †

Fortran90/95の歴史 †

why Fortran90/95? †

正しい理由 †

間違った理由 †

Fortran90/95に対する偏見 †

Fortran90/95は現代のプログラミング言語である。 †

まだ納得できないない？では例を一つ †

【演習】 †

Fortran90/95ではこう書ける。 †

数式の表現が簡単な例（複素数） †

例（行列の計算） †

例（級数） †

例（3次元ベクトル場のエネルギー） †

diff f && c : C言語との比較によるFortran90/95入門 †

定番 hello, worldプログラム †

【演習】 †

大文字・小文字 †

予約語 †

コメント行の書き方 †

型名 †

定数 †

配列 †

1次元配列 †

2次元配列 †

3次元配列 †

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Fortran90/95ではこう書ける。 †

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定番 hello, worldプログラム †

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