Fortran文件输入输出操作 - 摩柯技术社区

Fortran文件输入输出操作基础

Fortran文件概述

在Fortran编程中，文件是存储数据的重要载体。文件可以分为多种类型，常见的有顺序文件（Sequential Files）和直接文件（Direct Files）。顺序文件按照数据写入的先后顺序依次存储和读取，就像阅读一本书，逐页依次进行。而直接文件则允许程序直接访问文件中的特定记录，如同在一本书中可以直接翻到指定的页码。

此外，根据文件内容的存储形式，又可分为有格式文件（Formatted Files）和无格式文件（Unformatted Files）。有格式文件以人们可读的形式存储数据，比如文本形式，每个数据项按照特定的格式规则进行显示和存储。无格式文件则以计算机内部二进制形式存储数据，这种存储方式在读写速度上通常更快，而且占用空间相对较小，但不具备人直接可读性。

打开文件

在进行文件的输入输出操作之前，首先需要打开文件。Fortran使用OPEN语句来实现文件的打开操作。OPEN语句的基本语法如下：

OPEN(unit = unit_number, file = 'file_name', [access = 'access_type'], [form = 'form_type'], [status ='status_type'])

unit_number：这是一个整数值，用于标识文件单元，它就像是给文件分配的一个唯一编号，在程序后续对该文件的操作中都通过这个编号来引用文件。例如，可以使用10、20等数字作为单元编号。
file_name：这是要打开的文件的名称，需要用单引号括起来。文件名可以包含路径信息，如果不指定路径，则默认为当前工作目录。例如，'data.txt'表示当前目录下名为data.txt的文件。
access = 'access_type'：可选参数，指定文件的访问方式。常见的访问类型有'SEQUENTIAL'（顺序访问）和'DIRECT'（直接访问），默认为'SEQUENTIAL'。
form = 'form_type'：可选参数，指定文件的格式类型。常见的格式类型有'FORMATTED'（有格式）和'UNFORMATTED'（无格式），默认为'FORMATTED'。
status ='status_type'：可选参数，指定文件的状态。常见的状态有'OLD'（表示文件已存在）、'NEW'（表示创建新文件）、'SCRATCH'（临时文件，程序结束时自动删除）和'UNKNOWN'（默认值，系统根据实际情况判断）。

以下是一些打开文件的示例：

! 打开一个有格式的顺序文件用于写入
OPEN(unit = 10, file = 'output.txt', access = 'SEQUENTIAL', form = 'FORMATTED', status = 'NEW')

! 打开一个无格式的直接文件，假设文件已存在
OPEN(unit = 20, file = 'binary_data.dat', access = 'DIRECT', form = 'UNFORMATTED', status = 'OLD')

关闭文件

当对文件的操作完成后，应该及时关闭文件，以释放系统资源并确保数据的完整性。Fortran使用CLOSE语句来关闭文件，基本语法如下：

CLOSE(unit = unit_number)

其中unit_number就是在OPEN语句中指定的文件单元编号。例如：

CLOSE(unit = 10)

这样就关闭了单元编号为10的文件。

顺序文件的输入输出

顺序文件的写入操作

对于顺序有格式文件的写入，我们可以使用WRITE语句。假设我们要将一些整数和实数写入一个文件，示例代码如下：

PROGRAM write_sequential_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num
    REAL :: r
    OPEN(unit = 10, file = 'output.txt', access = 'SEQUENTIAL', form = 'FORMATTED', status = 'NEW')

    num = 10
    r = 3.14159
    DO i = 1, 5
        WRITE(10, '(I5, F10.5)') i, r
    END DO

    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM write_sequential_file

在上述代码中，WRITE(10, '(I5, F10.5)') i, r语句表示将变量i（格式化为宽度为5的整数）和变量r（格式化为宽度为10，小数部分为5位的实数）写入到单元编号为10的文件中。DO循环则重复执行这个写入操作5次。

对于顺序无格式文件的写入，同样使用WRITE语句，但不需要格式说明符。示例代码如下：

PROGRAM write_unformatted_sequential_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num
    REAL :: r
    OPEN(unit = 10, file = 'unformatted_output.dat', access = 'SEQUENTIAL', form = 'UNFORMATTED', status = 'NEW')

    num = 10
    r = 3.14159
    DO i = 1, 5
        WRITE(10) i, r
    END DO

    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM write_unformatted_sequential_file

这里WRITE(10) i, r直接将变量i和r以二进制形式写入文件。

顺序文件的读取操作

顺序有格式文件的读取使用READ语句。假设我们有一个文件input.txt，里面存储了一些整数和实数，每行一个整数和一个实数，格式与上述写入示例一致，读取代码如下：

PROGRAM read_sequential_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num
    REAL :: r
    OPEN(unit = 10, file = 'input.txt', access = 'SEQUENTIAL', form = 'FORMATTED', status = 'OLD')

    DO
        READ(10, '(I5, F10.5)', END = 100) i, r
        WRITE(*, *) 'Read values:', i, r
    END DO

100 CONTINUE
    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM read_sequential_file

在这个代码中，READ(10, '(I5, F10.5)', END = 100) i, r尝试从单元编号为10的文件中读取符合指定格式的数据到变量i和r中。END = 100表示当文件读取到末尾时，跳转到标签100处执行，这里标签100后面的CONTINUE语句表示结束循环。

对于顺序无格式文件的读取，同样使用READ语句，且不需要格式说明符。假设文件unformatted_input.dat是由上述无格式写入示例生成的，读取代码如下：

PROGRAM read_unformatted_sequential_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num
    REAL :: r
    OPEN(unit = 10, file = 'unformatted_input.dat', access = 'SEQUENTIAL', form = 'UNFORMATTED', status = 'OLD')

    DO
        READ(10, END = 100) i, r
        WRITE(*, *) 'Read values:', i, r
    END DO

100 CONTINUE
    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM read_unformatted_sequential_file

这里READ(10, END = 100) i, r直接从文件中以二进制形式读取数据到变量i和r中，当文件读取到末尾时跳转到标签100处。

直接文件的输入输出

直接文件的写入操作

直接文件的访问需要指定记录号。在写入直接文件时，我们同样使用WRITE语句，但需要额外指定记录号。以下是一个将一些整数写入直接文件的示例：

PROGRAM write_direct_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num, rec_num
    OPEN(unit = 10, file = 'direct_output.dat', access = 'DIRECT', form = 'FORMATTED', status = 'NEW', recl = 10)

    DO i = 1, 5
        num = i * 10
        rec_num = i
        WRITE(10, REC = rec_num, '(I10)') num
    END DO

    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM write_direct_file

在上述代码中，OPEN语句中的recl = 10指定了每个记录的长度为10个字符（因为我们写入的是宽度为10的整数）。WRITE(10, REC = rec_num, '(I10)') num表示将变量num（格式化为宽度为10的整数）写入到单元编号为10的文件中，记录号为rec_num。

对于无格式直接文件的写入，示例如下：

PROGRAM write_unformatted_direct_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num, rec_num
    OPEN(unit = 10, file = 'unformatted_direct_output.dat', access = 'DIRECT', form = 'UNFORMATTED', status = 'NEW', recl = 4)

    DO i = 1, 5
        num = i * 10
        rec_num = i
        WRITE(10, REC = rec_num) num
    END DO

    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM write_unformatted_direct_file

这里recl = 4是因为一个整数在Fortran中通常占用4个字节（具体取决于编译器和系统）。WRITE(10, REC = rec_num) num直接将变量num以二进制形式写入指定记录号的记录中。

直接文件的读取操作

读取直接文件同样需要指定记录号。以下是读取上述有格式直接文件的示例：

PROGRAM read_direct_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num, rec_num
    OPEN(unit = 10, file = 'direct_output.dat', access = 'DIRECT', form = 'FORMATTED', status = 'OLD', recl = 10)

    DO i = 1, 5
        rec_num = i
        READ(10, REC = rec_num, '(I10)') num
        WRITE(*, *) 'Read value from record', rec_num, ':', num
    END DO

    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM read_direct_file

在这个代码中，READ(10, REC = rec_num, '(I10)') num从单元编号为10的文件中，记录号为rec_num的记录读取数据到变量num中。

对于无格式直接文件的读取，示例如下：

PROGRAM read_unformatted_direct_file
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num, rec_num
    OPEN(unit = 10, file = 'unformatted_direct_output.dat', access = 'DIRECT', form = 'UNFORMATTED', status = 'OLD', recl = 4)

    DO i = 1, 5
        rec_num = i
        READ(10, REC = rec_num) num
        WRITE(*, *) 'Read value from record', rec_num, ':', num
    END DO

    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM read_unformatted_direct_file

这里READ(10, REC = rec_num) num直接从指定记录号的记录中以二进制形式读取数据到变量num中。

高级文件操作技巧

文件定位

在Fortran中，可以使用REWIND、BACKSPACE和ENDFILE等语句来进行文件定位操作。

REWIND语句将文件指针重新定位到文件开头，语法为REWIND(unit = unit_number)。例如，REWIND(unit = 10)会将单元编号为10的文件指针移到文件开头，这样后续的读写操作将从文件起始位置开始。
BACKSPACE语句将文件指针向后移动一个记录（对于顺序文件）或一个位置（对于直接文件），语法为BACKSPACE(unit = unit_number)。比如，在读取顺序文件时，如果发现当前读取的记录不符合预期，可以使用BACKSPACE语句回退一个记录重新读取。
ENDFILE语句在文件末尾添加一个文件结束标记，语法为ENDFILE(unit = unit_number)。这在创建顺序文件时，用于明确标记文件的结束，对于一些需要严格遵循文件格式的应用场景很有用。

错误处理

在文件操作过程中，可能会出现各种错误，如文件不存在、磁盘空间不足等。Fortran提供了一些机制来处理这些错误。可以在OPEN语句中使用IOSTAT和IOMSG参数来捕获和处理打开文件时的错误。例如：

INTEGER :: iostat
CHARACTER(len = 100) :: iomsg
OPEN(unit = 10, file = 'nonexistent_file.txt', access = 'SEQUENTIAL', form = 'FORMATTED', status = 'OLD', IOSTAT = iostat, IOMSG = iomsg)
IF (iostat /= 0) THEN
    WRITE(*, *) 'Error opening file:', iomsg
END IF

这里IOSTAT返回一个整数值，如果值为0表示文件打开成功，否则表示有错误发生。IOMSG则返回一个字符串，包含错误信息。

在READ和WRITE操作中，也可以使用IOSTAT参数来捕获读写错误。例如：

READ(10, *, IOSTAT = iostat) var
IF (iostat /= 0) THEN
    WRITE(*, *) 'Read error:', iostat
END IF

这样可以在读写操作出现错误时，及时进行相应的处理，避免程序异常终止。

与其他语言的数据交互

在实际应用中，有时需要Fortran程序与其他编程语言进行数据交互。由于Fortran有格式文件以文本形式存储数据，这使得它与其他语言的数据交互相对容易。例如，可以将Fortran生成的有格式文件作为输入提供给Python程序。假设Fortran生成了一个文件data.txt，Python可以使用以下代码读取：

with open('data.txt', 'r') as f:
    for line in f:
        values = line.split()
        num1 = int(values[0])
        num2 = float(values[1])
        print(f'Read values: {num1}, {num2}')

对于无格式文件，由于其以二进制形式存储，与其他语言交互时需要更加小心。通常需要了解不同语言的二进制数据处理方式，并确保数据的一致性。一些语言提供了特定的库来处理二进制数据的读写，以实现与Fortran无格式文件的交互。

Fortran文件操作中的常见问题及解决方法

文件打开失败

文件打开失败可能有多种原因。最常见的是文件不存在，但指定了status = 'OLD'。解决方法是在打开文件前先检查文件是否存在，或者根据实际情况合理设置status参数。如果是权限问题导致无法打开文件（例如在某些系统中，试图以写入模式打开只读文件），需要确保程序有足够的权限来操作文件。可以通过修改文件权限或调整程序的运行环境来解决。

数据读取错误

数据读取错误可能是由于文件格式与读取格式不匹配导致的。比如，在有格式文件读取时，指定的格式说明符与文件中实际的数据格式不一致。要解决这个问题，需要仔细检查文件中数据的实际格式，并确保READ语句中的格式说明符与之匹配。另外，在读取无格式文件时，如果文件的记录长度在写入和读取时不一致，也会导致读取错误。在这种情况下，需要确保在打开文件时指定的记录长度（recl参数）在读写操作中保持一致。

文件写入不完整

文件写入不完整可能是因为程序在写入过程中异常终止，或者没有正确关闭文件。为了确保文件写入完整，在程序设计时应该考虑到各种可能导致程序异常终止的情况，并采取相应的措施，如使用ON ERROR语句捕获异常并进行处理，确保在异常发生时文件能够被正确关闭。另外，及时调用CLOSE语句关闭文件，也可以避免数据丢失和写入不完整的问题。

不同平台的兼容性问题

Fortran文件操作在不同的操作系统平台上可能会存在一些兼容性问题。例如，在Windows系统和Unix/Linux系统中，文件路径的表示方式不同。在Windows中使用反斜杠（\）作为路径分隔符，而在Unix/Linux中使用正斜杠（/）。为了提高程序的跨平台兼容性，可以使用Fortran的SYSTEM函数或一些第三方库来处理文件路径，使其能够适应不同的操作系统。另外，不同平台对文件命名规则、文件大小限制等方面也可能存在差异，在编写程序时需要充分考虑这些因素。

实际应用案例

科学计算数据存储与读取

在科学计算中，经常需要存储大量的计算结果数据，并在后续的分析中读取这些数据。例如，一个数值模拟程序可能会生成一系列时间步的物理量数据，如温度、压力等。使用Fortran的文件操作功能，可以将这些数据以有格式或无格式文件的形式存储。以下是一个简单的示例，模拟一个一维热传导问题，并将温度分布数据存储到文件中：

PROGRAM heat_conduction
    IMPLICIT NONE
    INTEGER, PARAMETER :: nx = 100, nt = 500
    REAL :: dx = 0.01, dt = 0.001, alpha = 0.1
    REAL :: T(nx), T_new(nx)
    INTEGER :: i, j
    OPEN(unit = 10, file = 'temperature_data.txt', access = 'SEQUENTIAL', form = 'FORMATTED', status = 'NEW')

    ! 初始化温度分布
    DO i = 1, nx
        T(i) = 0.0
    END DO
    T(nx / 2) = 100.0

    DO j = 1, nt
        ! 计算新的温度分布
        DO i = 2, nx - 1
            T_new(i) = T(i) + alpha * dt / dx**2 * (T(i + 1) - 2 * T(i) + T(i - 1))
        END DO
        T = T_new

        ! 将当前时间步的温度分布写入文件
        WRITE(10, *) j
        DO i = 1, nx
            WRITE(10, '(F10.5)') T(i)
        END DO
    END DO

    CLOSE(unit = 10)
END PROGRAM heat_conduction

在这个示例中，程序模拟了一维热传导过程，并将每个时间步的温度分布数据写入一个有格式的顺序文件temperature_data.txt。后续可以使用其他程序（如Python的数据分析库）读取这个文件，对数据进行可视化和进一步分析。

数据处理与转换

假设我们有一个包含大量数据的文件，数据格式需要进行转换。例如，原始文件中数据以空格分隔，现在需要将其转换为逗号分隔，并进行一些简单的数据处理（如将所有数据乘以一个系数）。以下是一个Fortran实现示例：

PROGRAM data_conversion
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: i, num
    REAL :: r, factor = 2.0
    CHARACTER(len = 100) :: line
    OPEN(unit = 10, file = 'input_data.txt', access = 'SEQUENTIAL', form = 'FORMATTED', status = 'OLD')
    OPEN(unit = 20, file = 'output_data.txt', access = 'SEQUENTIAL', form = 'FORMATTED', status = 'NEW')

    DO
        READ(10, '(A)', END = 100) line
        READ(line, *) num, r
        r = r * factor
        WRITE(20, '(I5, F10.5, A)') num, r, ','
    END DO

100 CONTINUE
    CLOSE(unit = 10)
    CLOSE(unit = 20)
END PROGRAM data_conversion

在这个代码中，程序从input_data.txt文件中读取数据，对实数部分乘以系数factor，然后将转换后的数据以逗号分隔的格式写入output_data.txt文件。这种数据处理和转换操作在数据预处理和后处理阶段经常会用到。

通过以上对Fortran文件输入输出操作的详细介绍，包括基础概念、各种文件类型的读写操作、高级技巧、常见问题及解决方法以及实际应用案例，希望读者能够全面掌握Fortran在文件操作方面的知识和技能，在实际编程中能够灵活、高效地处理文件数据。