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Fortran面向对象编程基础

2021-03-221.5k 阅读

Fortran 面向对象编程基础

Fortran 概述

Fortran（Formula Translation）是世界上最早出现的高级程序设计语言，由美国 IBM 公司在 20 世纪 50 年代开发。最初，它主要用于科学和工程计算领域，其强大的数值计算能力和高效的执行效率使其成为该领域的标准编程语言之一。

随着编程范式的不断发展，Fortran 也逐渐引入了面向对象编程（OOP）的特性。面向对象编程强调将数据和操作数据的方法封装在一起，形成对象，并通过继承、多态等机制实现代码的复用和扩展性。在 Fortran 中引入这些特性，使得程序员可以用更现代、更结构化的方式来编写复杂的科学计算程序。

Fortran 面向对象编程特性

封装

封装是面向对象编程的基本特性之一，它将数据和操作数据的过程组合在一起，形成一个独立的单元，即对象。在 Fortran 中，可以通过模块（module）来实现封装。模块可以包含数据类型定义、变量声明以及子程序（subroutine）和函数（function）的定义。

以下是一个简单的示例，展示如何使用模块实现封装：

module my_module
    implicit none

    type :: my_type
        integer :: value
    contains
        procedure :: print_value
    end type my_type

contains

    subroutine print_value(this)
        class(my_type), intent(in) :: this
        print *, 'The value is:', this%value
    end subroutine print_value

end module my_module

program main
    use my_module
    implicit none

    type(my_type) :: obj

    obj%value = 42
    call obj%print_value()

end program main

在上述代码中，my_module 模块定义了一个名为 my_type 的派生类型（类似于类）。my_type 包含一个整型变量 value 和一个名为 print_value 的过程。print_value 过程用于打印 value 的值。在 main 程序中，创建了 my_type 类型的对象 obj，设置其 value 并调用 print_value 过程。

继承

继承允许一个新类型（派生类型）从一个已有的类型（基类型）获取属性和方法。在 Fortran 中，通过在派生类型定义中使用 extends 关键字来实现继承。

以下是一个继承的示例：

module shape_module
    implicit none

    type :: shape
        real :: area
    contains
        procedure :: calculate_area
    end type shape

contains

    subroutine calculate_area(this)
        class(shape), intent(inout) :: this
        this%area = 0.0
    end subroutine calculate_area

end module shape_module

module rectangle_module
    use shape_module
    implicit none

    type, extends(shape) :: rectangle
        real :: length
        real :: width
    contains
        procedure, override :: calculate_area
    end type rectangle

contains

    subroutine calculate_area(this)
        class(rectangle), intent(inout) :: this
        this%area = this%length * this%width
    end subroutine calculate_area

end module rectangle_module

program main
    use rectangle_module
    implicit none

    type(rectangle) :: rect
    rect%length = 5.0
    rect%width = 3.0
    call rect%calculate_area()
    print *, 'The area of the rectangle is:', rect%area

end program main

在这个例子中，shape_module 定义了一个基类型 shape，它有一个计算面积的通用方法 calculate_area。rectangle_module 定义了一个派生类型 rectangle，它继承自 shape 类型，并增加了 length 和 width 两个属性。rectangle 类型重写了 calculate_area 方法以适应矩形面积的计算。

多态

多态性使得可以根据对象的实际类型来调用适当的方法。在 Fortran 中，通过在基类型中定义通用过程，并在派生类型中重写这些过程来实现多态。

结合上面继承的例子，我们进一步扩展以展示多态：

module shape_module
    implicit none

    type :: shape
        real :: area
    contains
        procedure :: calculate_area
        procedure, deferred :: draw
    end type shape

contains

    subroutine calculate_area(this)
        class(shape), intent(inout) :: this
        this%area = 0.0
    end subroutine calculate_area

end module shape_module

module rectangle_module
    use shape_module
    implicit none

    type, extends(shape) :: rectangle
        real :: length
        real :: width
    contains
        procedure, override :: calculate_area
        procedure :: draw
    end type rectangle

contains

    subroutine calculate_area(this)
        class(rectangle), intent(inout) :: this
        this%area = this%length * this%width
    end subroutine calculate_area

    subroutine draw(this)
        class(rectangle), intent(in) :: this
        print *, 'Drawing a rectangle with length:', this%length,'and width:', this%width
    end subroutine draw

end module rectangle_module

module circle_module
    use shape_module
    implicit none

    type, extends(shape) :: circle
        real :: radius
    contains
        procedure, override :: calculate_area
        procedure :: draw
    end type circle

contains

    subroutine calculate_area(this)
        class(circle), intent(inout) :: this
        this%area = 3.14159 * this%radius ** 2
    end subroutine calculate_area

    subroutine draw(this)
        class(circle), intent(in) :: this
        print *, 'Drawing a circle with radius:', this%radius
    end subroutine draw

end module circle_module

program main
    use rectangle_module
    use circle_module
    implicit none

    type(shape), allocatable :: shapes(:)
    type(rectangle) :: rect
    type(circle) :: circ

    rect%length = 5.0
    rect%width = 3.0
    circ%radius = 2.0

    allocate(shapes(2))
    shapes(1) = rect
    shapes(2) = circ

    do i = 1, size(shapes)
        call shapes(i)%calculate_area()
        call shapes(i)%draw()
        print *, 'The area is:', shapes(i)%area
    end do

    deallocate(shapes)

end program main

在这个代码中，shape 类型定义了一个延迟过程 draw，这意味着具体的实现需要在派生类型中给出。rectangle 和 circle 类型都重写了 draw 过程。在 main 程序中，创建了一个 shape 类型的数组，并将 rectangle 和 circle 对象赋值给这个数组。通过循环调用 calculate_area 和 draw 方法，展示了多态性，即根据对象的实际类型调用正确的方法。

Fortran 面向对象编程中的数据隐藏

在面向对象编程中，数据隐藏是一个重要的概念，它有助于保护对象内部的数据不被外部随意访问和修改，从而提高代码的安全性和可维护性。在 Fortran 中，可以通过将数据声明为私有来实现一定程度的数据隐藏。

使用模块的私有成员

在模块中，可以使用 private 关键字将类型、变量或过程声明为私有。私有成员只能在模块内部被访问，外部程序无法直接访问它们。

module private_data_module
    implicit none
    private
    public :: my_type

    type :: my_type
        integer :: private_value
    contains
        procedure :: get_value
        procedure :: set_value
    end type my_type

contains

    function get_value(this) result(val)
        class(my_type), intent(in) :: this
        integer :: val
        val = this%private_value
    end function get_value

    subroutine set_value(this, new_val)
        class(my_type), intent(inout) :: this
        integer, intent(in) :: new_val
        this%private_value = new_val
    end subroutine set_value

end module private_data_module

program main
    use private_data_module
    implicit none

    type(my_type) :: obj

    call obj%set_value(10)
    print *, 'The value is:', obj%get_value()

end program main

在上述代码中，private_data_module 模块将 my_type 类型中的 private_value 变量声明为私有。外部程序只能通过 get_value 和 set_value 这两个公共过程来访问和修改 private_value。

访问控制与封装的结合

通过数据隐藏和封装的结合，可以更好地控制对象的接口。只暴露必要的方法给外部，而将内部数据和实现细节隐藏起来。这使得程序的结构更加清晰，并且在修改内部实现时不会影响到外部调用代码。

例如，假设我们需要修改 my_type 中 private_value 的存储方式，从整型改为实型。由于外部程序只能通过 get_value 和 set_value 来访问和修改数据，我们只需要在模块内部修改这两个过程的实现，而不需要修改外部调用代码。

module private_data_module
    implicit none
    private
    public :: my_type

    type :: my_type
        real :: private_value
    contains
        procedure :: get_value
        procedure :: set_value
    end type my_type

contains

    function get_value(this) result(val)
        class(my_type), intent(in) :: this
        real :: val
        val = this%private_value
    end function get_value

    subroutine set_value(this, new_val)
        class(my_type), intent(inout) :: this
        real, intent(in) :: new_val
        this%private_value = new_val
    end subroutine set_value

end module private_data_module

program main
    use private_data_module
    implicit none

    type(my_type) :: obj

    call obj%set_value(10.5)
    print *, 'The value is:', obj%get_value()

end program main

Fortran 面向对象编程中的内存管理

在面向对象编程中，正确的内存管理是至关重要的，特别是当涉及到动态分配的对象时。Fortran 提供了一些机制来处理内存的分配和释放。

动态分配对象

在 Fortran 中，可以使用 allocate 语句来动态分配对象。对于包含可分配数组或其他动态数据结构的对象，动态分配是必要的。

module dynamic_obj_module
    implicit none

    type :: dynamic_type
        integer, allocatable :: data(:)
    contains
        procedure :: allocate_data
        procedure :: deallocate_data
    end type dynamic_type

contains

    subroutine allocate_data(this, size_data)
        class(dynamic_type), intent(inout) :: this
        integer, intent(in) :: size_data
        allocate(this%data(size_data))
    end subroutine allocate_data

    subroutine deallocate_data(this)
        class(dynamic_type), intent(inout) :: this
        deallocate(this%data)
    end subroutine deallocate_data

end module dynamic_obj_module

program main
    use dynamic_obj_module
    implicit none

    type(dynamic_type) :: obj

    call obj%allocate_data(5)
    obj%data = [1, 2, 3, 4, 5]
    print *, 'The data is:', obj%data
    call obj%deallocate_data()

end program main

在这个例子中，dynamic_type 类型包含一个可分配数组 data。allocate_data 过程用于分配内存，deallocate_data 过程用于释放内存。

自动内存管理

Fortran 2003 引入了自动内存管理的特性，使得程序员可以更方便地处理对象的生命周期。当对象超出其作用域时，Fortran 会自动调用其析构函数（如果定义了的话）来释放相关资源。

module auto_mem_module
    implicit none

    type :: auto_type
        integer, allocatable :: data(:)
    contains
        final :: finalize_auto_type
        procedure :: allocate_data
    end type auto_type

contains

    subroutine allocate_data(this, size_data)
        class(auto_type), intent(inout) :: this
        integer, intent(in) :: size_data
        allocate(this%data(size_data))
    end subroutine allocate_data

    subroutine finalize_auto_type(this)
        type(auto_type), intent(inout) :: this
        if (allocated(this%data)) deallocate(this%data)
    end subroutine finalize_auto_type

end module auto_mem_module

program main
    use auto_mem_module
    implicit none

    contains

    subroutine inner_sub
        type(auto_type) :: obj
        call obj%allocate_data(3)
        obj%data = [10, 20, 30]
        print *, 'Inner subroutine: The data is:', obj%data
    end subroutine inner_sub

    call inner_sub()
    print *, 'After inner subroutine, object is destroyed and memory is freed.'

end program main

在上述代码中，auto_type 类型定义了一个析构函数 finalize_auto_type。当 obj 对象在 inner_sub 子例程结束时超出作用域，Fortran 会自动调用 finalize_auto_type 来释放 data 数组所占用的内存。

Fortran 面向对象编程的应用场景

科学计算与工程模拟

Fortran 传统上在科学计算和工程模拟领域占据重要地位。面向对象编程特性的引入使得编写复杂的数值模型更加容易。例如，在有限元分析中，可以将不同的物理单元（如节点、单元等）定义为对象，并通过继承和多态来处理不同类型单元的共性和特性。这样可以提高代码的复用性和可维护性，使得大型工程模拟程序的开发更加高效。

数据处理与分析

在处理大量科学数据时，面向对象编程可以帮助组织数据和操作。例如，将数据文件的读取、处理和存储封装成对象，通过不同的方法实现数据的过滤、转换和可视化。通过继承和多态，可以针对不同类型的数据文件（如文本文件、二进制文件等）实现统一的接口，方便扩展和维护数据处理流程。

代码复用与团队协作

在大型项目中，代码复用是提高开发效率的关键。Fortran 的面向对象编程特性使得代码可以按照对象的方式进行组织，不同的团队成员可以专注于不同对象的开发和维护。通过封装和接口定义，各个对象之间的依赖关系更加清晰，降低了代码的耦合度，从而提高了整个项目的可维护性和扩展性。

Fortran 面向对象编程与其他语言的比较

与 C++ 的比较

  1. 语法风格：Fortran 的语法相对较为传统和简洁，尤其是在数值计算方面的语法非常直观。而 C++ 的语法更为复杂，有丰富的运算符重载、模板等特性。例如，在定义类和对象方面，C++ 使用 class 关键字，语法结构较为紧凑；而 Fortran 使用模块和派生类型来实现类似功能，语法相对较为宽松。
  2. 内存管理：C++ 提供了手动内存管理（new 和 delete 操作符）以及智能指针等自动内存管理机制。Fortran 在传统上依赖于 allocate 和 deallocate 语句进行手动内存管理，Fortran 2003 引入的自动内存管理相对简单直接，主要通过析构函数实现。
  3. 应用场景：C++ 广泛应用于系统开发、游戏开发等领域，其高性能和灵活性使其成为这些领域的首选语言之一。Fortran 则仍然在科学计算和工程模拟领域具有深厚的基础，其数值计算性能和对传统代码的兼容性使其在该领域难以被替代。

与 Python 的比较

  1. 语法简洁性：Python 以其简洁易读的语法著称，代码编写相对快速。Fortran 的语法虽然也在不断演进，但整体上相对 Python 更为传统和严谨。例如，Python 使用缩进来表示代码块，而 Fortran 使用 end 关键字来结束模块、程序、类型等定义。
  2. 性能：Fortran 在数值计算性能上通常优于 Python，特别是对于大规模的科学计算和密集型数值算法。这是因为 Fortran 是编译型语言，能够生成高效的机器码。而 Python 是解释型语言，虽然可以通过使用 NumPy 等库来提高数值计算性能，但在性能上仍然与 Fortran 存在一定差距。
  3. 面向对象特性：Python 具有强大的面向对象编程能力，支持多重继承等特性。Fortran 的面向对象编程特性相对较为基础，不支持多重继承，但在科学计算领域的特定场景下，其面向对象特性已经能够满足大多数需求。

Fortran 面向对象编程的最佳实践

遵循命名规范

为了提高代码的可读性和可维护性，应遵循一致的命名规范。对于类型、变量、过程等命名，应选择具有描述性的名称，清晰地表达其功能或含义。例如，类型名可以使用大写字母开头的驼峰命名法（如 MyType），变量名可以使用小写字母开头的驼峰命名法（如 myVariable），过程名可以使用动词加名词的形式（如 calculateArea）。

合理使用模块

模块是 Fortran 实现封装和组织代码的重要工具。应将相关的类型定义、变量声明和过程定义放在同一个模块中，避免模块过于庞大或功能过于混杂。同时，合理设置模块的公有和私有成员，只暴露必要的接口给外部程序，隐藏内部实现细节。

文档化代码

在编写代码时，应添加足够的注释来解释代码的功能、输入输出参数以及实现逻辑。对于模块、类型和过程，应提供详细的文档说明，包括功能描述、使用示例等。这有助于其他开发人员理解和使用代码，也方便自己在后续维护和扩展代码时能够快速回顾。

测试与调试

编写单元测试来验证每个对象和过程的功能正确性。可以使用一些测试框架（如 FUnit）来简化测试代码的编写和管理。在调试过程中，利用 Fortran 编译器提供的调试工具（如 gdb 与 Fortran 编译器的结合）来跟踪代码执行、检查变量值，以便快速定位和解决问题。

性能优化

在科学计算应用中，性能至关重要。虽然 Fortran 本身在数值计算方面具有较高的性能，但仍然可以通过一些优化技巧进一步提升性能。例如，合理使用数组操作来减少循环开销，避免不必要的内存分配和释放，以及利用编译器的优化选项（如 -O3）来生成高效的代码。

总结

Fortran 面向对象编程为科学计算和工程领域的程序员提供了一种强大的工具，使他们能够以更现代、更结构化的方式编写代码。通过封装、继承和多态等特性，Fortran 代码的复用性、可维护性和扩展性得到了显著提升。同时，结合 Fortran 在数值计算方面的传统优势，使得它在科学计算和工程模拟等领域仍然具有不可替代的地位。尽管与一些新兴编程语言相比，Fortran 的语法和面向对象特性可能有其独特之处，但通过遵循最佳实践和不断学习，程序员可以充分发挥 Fortran 面向对象编程的潜力，开发出高效、可靠的软件系统。无论是处理大规模的数值模拟，还是进行复杂的数据处理，Fortran 面向对象编程都为解决实际问题提供了有效的途径。在未来，随着科学技术的不断发展，Fortran 有望在其传统优势领域继续发挥重要作用，并通过不断演进适应新的需求和挑战。