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Fortran变量声明与数据类型详解

2021-10-011.9k 阅读

Fortran变量声明基础

在Fortran编程中，变量声明是构建程序逻辑的基础步骤。变量是用于存储数据的容器，在使用变量之前，需要先声明它，以便编译器为其分配内存空间。声明变量时，主要需要指定变量的名称和数据类型。

变量命名规则

Fortran变量的命名遵循一定规则：

  1. 字符组成：变量名可以由字母（A - Z，a - z）、数字（0 - 9）和下划线（_）组成。例如，my_variable、data1都是合法的变量名。
  2. 开头字符：变量名必须以字母开头。像1data这样以数字开头的就是非法变量名。
  3. 长度限制：不同的Fortran标准对变量名长度限制不同。在Fortran 77中，变量名长度一般限制在6个字符以内，但在Fortran 90及后续标准中，通常可支持更长的变量名，比如31个字符。
  4. 区分大小写：在传统Fortran中，变量名不区分大小写，MyVar和myvar被视为同一个变量。不过在Fortran 90及更高版本中，可以通过编译器选项来选择是否区分大小写，默认情况下不区分。

简单变量声明示例

下面来看一个简单的变量声明示例：

program variable_declaration_example
    implicit none
    integer :: num
    real :: pi_value
    character(len = 20) :: name
    num = 10
    pi_value = 3.14159
    name = 'John Doe'
    print *, 'The number is:', num
    print *, 'The value of pi is:', pi_value
    print *, 'The name is:', name
end program variable_declaration_example

在这个示例中，使用integer声明了一个整型变量num，real声明了一个实型变量pi_value，character(len = 20)声明了一个长度为20的字符型变量name。然后对这些变量进行赋值，并使用print语句输出它们的值。

Fortran数据类型深入剖析

整型（Integer）

  1. 存储表示：整型变量用于存储整数。在Fortran中，整型数据在内存中以二进制补码形式存储。不同的整型类型占用不同的内存空间，这也决定了它们能表示的数值范围。
  2. 整型类型分类：
    • 默认整型：在没有指定具体整型类型时，使用默认整型。例如integer :: num，默认整型的大小取决于编译器和运行环境，通常在32位系统上为4字节（32位），能表示的范围约为 -2147483648 到 2147483647。
    • 指定大小整型：Fortran提供了指定整型大小的方式。例如integer(1) :: small_num表示1字节（8位）的整型，能表示的范围是 -128 到 127；integer(2) :: medium_num表示2字节（16位）的整型，范围是 -32768 到 32767；integer(4) :: large_num表示4字节（32位）的整型，范围与默认整型类似；integer(8) :: huge_num表示8字节（64位）的整型，能表示的范围更大，约为 -9223372036854775808 到 9223372036854775807。
  3. 示例代码：
program integer_type_example
    implicit none
    integer :: default_num
    integer(1) :: small_num
    integer(2) :: medium_num
    integer(4) :: large_num
    integer(8) :: huge_num
    default_num = 100
    small_num = 50
    medium_num = 10000
    large_num = 2147483647
    huge_num = 9223372036854775807
    print *, 'Default integer:', default_num
    print *, '1 - byte integer:', small_num
    print *, '2 - byte integer:', medium_num
    print *, '4 - byte integer:', large_num
    print *, '8 - byte integer:', huge_num
end program integer_type_example

在这个示例中，展示了不同大小整型变量的声明、赋值和输出。

实型（Real）

  1. 存储表示：实型变量用于存储带有小数部分的数值。实型数据在内存中以IEEE 754标准的浮点数形式存储，这种表示方法可以在有限的内存空间内表示很大或很小的数值，但存在精度限制。
  2. 实型类型分类：
    • 单精度实型：默认的实型变量一般为单精度实型，使用real声明，如real :: num。单精度实型通常占用4字节（32位）内存，其中1位用于符号，8位用于指数，23位用于尾数。它能表示的数值范围大约是 -3.4028234663852886e + 38 到 3.4028234663852886e + 38，有效数字约为6 - 7位。
    • 双精度实型：使用real(8)声明双精度实型变量，例如real(8) :: big_num。双精度实型占用8字节（64位）内存，1位符号位，11位指数位，52位尾数位。它能表示的数值范围大约是 -1.7976931348623157e + 308 到 1.7976931348623157e + 308，有效数字约为15 - 17位。
  3. 示例代码：
program real_type_example
    implicit none
    real :: single_num
    real(8) :: double_num
    single_num = 1.23456789
    double_num = 1.2345678901234567
    print *, 'Single - precision real:', single_num
    print *, 'Double - precision real:', double_num
end program real_type_example

从示例输出中可以看到单精度实型由于精度限制，输出的数值可能与赋值时有细微差异。

字符型（Character）

  1. 存储表示：字符型变量用于存储文本字符串。每个字符在内存中占用一定的字节数，具体取决于编译器和字符编码。在Fortran中，字符型数据以固定长度或可变长度存储。
  2. 声明方式：
    • 固定长度字符型：使用character(len = n)声明固定长度字符型变量，其中n为字符串的长度。例如character(len = 10) :: str声明了一个长度为10的字符型变量str。如果赋值的字符串长度小于10，剩余位置将用空格填充；如果大于10，超出部分将被截断。
    • 可变长度字符型：在Fortran 90及后续版本中，可以使用character(len = :)声明可变长度字符型变量，然后通过allocate语句分配实际长度。例如：
program character_type_example
    implicit none
    character(len = 10) :: fixed_str
    character(len = :) :: var_str
    fixed_str = 'Hello'
    allocate(character(len = 15) :: var_str)
    var_str = 'Variable length string'
    print *, 'Fixed - length string:', fixed_str
    print *, 'Variable - length string:', var_str
end program character_type_example

在这个示例中，展示了固定长度和可变长度字符型变量的声明、赋值和输出。

逻辑型（Logical）

  1. 存储表示：逻辑型变量用于存储逻辑值，即true或false。在内存中，逻辑型数据通常占用1字节（8位），用特定的二进制值表示true和false，一般非零值表示true，零值表示false。
  2. 声明与使用：使用logical声明逻辑型变量。例如：
program logical_type_example
    implicit none
    logical :: is_true, is_false
    is_true =.true.
    is_false =.false.
    if (is_true) then
        print *, 'The condition is true'
    else
        print *, 'The condition is false'
    end if
    if (is_false) then
        print *, 'This will not be printed'
    else
        print *, 'The condition is false'
    end if
end program logical_type_example

在这个示例中，声明了两个逻辑型变量is_true和is_false，并通过if语句展示了逻辑型变量在条件判断中的使用。

复数型（Complex）

  1. 存储表示：复数型变量用于存储复数，复数在数学上表示为$a + bi$，其中$a$为实部，$b$为虚部，$i$为虚数单位（$i^2 = - 1$）。在Fortran中，复数型数据在内存中连续存储实部和虚部，实部和虚部的数据类型可以是单精度实型或双精度实型。
  2. 声明方式：
    • 单精度复数：使用complex声明单精度复数型变量，实部和虚部默认是单精度实型。例如complex :: num1。
    • 双精度复数：使用complex(8)声明双精度复数型变量，实部和虚部为双精度实型。例如complex(8) :: num2。
  3. 示例代码：
program complex_type_example
    implicit none
    complex :: single_complex
    complex(8) :: double_complex
    single_complex = (1.0, 2.0)
    double_complex = (1.0d0, 2.0d0)
    print *, 'Single - precision complex number:', single_complex
    print *, 'Double - precision complex number:', double_complex
end program complex_type_example

在这个示例中，展示了单精度和双精度复数型变量的声明、赋值和输出。

类型声明的更多特性

类型参数化

  1. 概念：在Fortran中，类型参数化允许通过参数来进一步定制数据类型的特性。例如，对于整型和实型，可以通过参数指定其存储大小和精度。这使得代码在不同的计算环境中具有更好的可移植性。
  2. 示例：
program type_parameterization_example
    implicit none
    integer, parameter :: int_kind = selected_int_kind(10)
    real, parameter :: real_kind = selected_real_kind(15, 307)
    integer(int_kind) :: big_integer
    real(real_kind) :: high_precision_real
    big_integer = 1234567890123456789
    high_precision_real = 1.2345678901234567890123456789
    print *, 'Big integer:', big_integer
    print *, 'High - precision real:', high_precision_real
end program type_parameterization_example

在这个示例中，使用selected_int_kind和selected_real_kind函数来选择合适的类型参数。selected_int_kind(n)返回能够表示至少$n$位十进制数的最小整型类型的参数值，selected_real_kind(p, r)返回能够表示至少$p$位有效数字且指数范围至少为$r$的最小实型类型的参数值。

派生类型（Derived Types）

  1. 定义：派生类型是用户自定义的数据类型，它可以将不同类型的变量组合在一起。通过定义派生类型，可以创建更复杂的数据结构，以满足特定的编程需求。
  2. 定义与使用示例：
program derived_type_example
    implicit none
    type :: person
        character(len = 50) :: name
        integer :: age
        real :: height
    end type person
    type(person) :: john
    john%name = 'John Smith'
    john%age = 30
    john%height = 1.75
    print *, 'Name:', john%name
    print *, 'Age:', john%age
    print *, 'Height:', john%height
end program derived_type_example

在这个示例中，定义了一个名为person的派生类型，它包含一个字符型变量name、一个整型变量age和一个实型变量height。然后声明了一个person类型的变量john，并对其成员进行赋值和输出。

数组类型

  1. 定义与声明：数组是一组相同类型数据的集合。在Fortran中，可以声明一维数组、二维数组甚至多维数组。声明数组时需要指定数组的维度和大小。例如，integer :: arr(10)声明了一个包含10个元素的一维整型数组；real :: matrix(3, 4)声明了一个3行4列的二维实型数组。
  2. 数组初始化：
    • 静态初始化：可以在声明数组时直接初始化。例如integer :: arr = [1, 2, 3, 4, 5]。
    • 动态初始化：在程序运行过程中通过循环等方式给数组元素赋值。例如：
program array_example
    implicit none
    integer :: arr(10)
    integer :: i
    do i = 1, 10
        arr(i) = i
    end do
    print *, 'Array elements:'
    do i = 1, 10
        print *, arr(i)
    end do
end program array_example

在这个示例中，先声明了一个一维整型数组arr，然后通过do循环给数组元素赋值，并输出数组的所有元素。

变量声明的作用域与生命周期

作用域

  1. 概念：变量的作用域是指程序中变量可见并可以使用的区域。在Fortran中，变量的作用域取决于其声明的位置。
  2. 不同作用域示例：
    • 全局作用域：在程序单元（如主程序、模块）的最外层声明的变量具有全局作用域，在该程序单元内的任何地方都可以访问。例如：
program scope_example
    implicit none
    integer :: global_var
    global_var = 100
    print *, 'Global variable value in main program:', global_var
    call subroutine1
contains
    subroutine subroutine1
        print *, 'Global variable value in subroutine:', global_var
    end subroutine subroutine1
end program scope_example

在这个示例中，global_var在主程序的最外层声明，在主程序和子例程subroutine1中都可以访问。 - 局部作用域：在块（如do循环、if块、子例程内部）中声明的变量具有局部作用域，只能在该块内访问。例如：

program scope_example2
    implicit none
    integer :: i
    do i = 1, 5
        integer :: local_var
        local_var = i * 2
        print *, 'Local variable value in loop:', local_var
    end do
    ! 下面这行代码会报错，因为local_var超出了作用域
    ! print *, 'Local variable outside loop:', local_var
end program scope_example2

在这个示例中，local_var在do循环内声明，只能在循环内部访问。

生命周期

  1. 概念：变量的生命周期是指变量从被创建到被销毁的时间段。在Fortran中，变量的生命周期与作用域密切相关。
  2. 不同生命周期示例：
    • 静态变量：在程序单元的最外层声明的变量（全局变量）通常具有静态生命周期，它们在程序开始执行时被创建，直到程序结束才被销毁。例如上面示例中的global_var。
    • 自动变量：在块内声明的变量（局部变量）通常具有自动生命周期，它们在进入块时被创建，离开块时被销毁。例如上面示例中do循环内的local_var。

变量声明的常见错误与注意事项

未声明变量使用

  1. 错误表现：在Fortran中，如果使用未声明的变量，编译器会报错。例如：
program undeclared_variable_error
    implicit none
    ! 这里没有声明num就使用
    num = 10
    print *, 'The number is:', num
end program undeclared_variable_error

这段代码会导致编译器错误，提示num未声明。 2. 解决方法：在使用变量之前，务必先声明变量，如integer :: num。

类型不匹配错误

  1. 错误表现：当给变量赋与声明类型不匹配的值时，会出现类型不匹配错误。例如：
program type_mismatch_error
    implicit none
    integer :: num
    num = 3.14
    print *, 'The number is:', num
end program type_mismatch_error

这里试图将一个实型值赋给整型变量num，会导致编译错误。 2. 解决方法：确保赋值的数据类型与变量声明的类型一致，或者进行合适的类型转换，如num = int(3.14)。

变量命名冲突

  1. 错误表现：当在同一作用域内声明两个相同名称的变量时，会发生命名冲突。例如：
program naming_conflict_error
    implicit none
    integer :: num
    real :: num
    num = 10
    num = 3.14
    print *, 'The number is:', num
end program naming_conflict_error

在这个示例中，在同一作用域内声明了两个同名但不同类型的变量，会导致编译错误。 2. 解决方法：在同一作用域内使用不同的变量名，避免命名冲突。

通过对Fortran变量声明与数据类型的详细解析，我们深入了解了如何在Fortran编程中有效地声明变量、选择合适的数据类型，以及注意相关的作用域、生命周期和常见错误等问题。这将为编写高效、正确的Fortran程序奠定坚实的基础。