Fortran und BASIC

Fortran und BASIC
10 Programmiersprachen in einem Semester
Zitate Fortran
FORTRAN, 'the infantile disorder', by now nearly 20
years old, is hopelessly inadequate for whatever
computer application you have in mind today: it is
now too clumsy, too risky, and too expensive to use.
Edsger W. Dijkstra
FORTRAN was the language of choice for the same
reason that three-legged races are popular.
Ken Thompson (in "Reflections on Trusting Trust")
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2
Fortran, Hintergründe
FORTRAN bedeutet Formula Translation.
Wurde ab 1954 mit Backus bei IBM entwickelt und
gilt als erste realisierte höhere Programmiersprache.
Der Compiler wurde erst ab 1957 ausgeliefert.
Bisher existieren 8 offizielle Versionen:
FORTRAN I, FORTRAN II, FORTRAN IV, FORTRAN-66,
FORTRAN-77, Fortran90, Fortran95, Fortran2003.
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Programmstruktur
PROGRAM program-name
[IMPLICIT NONE]
[specification part]
[execution part]
[subprogram part]
END PROGRAM program-name
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Kommentare
"!" kommentiert nachfolgende Zeichen
Beispiele:
READ(*,*) Year ! read in the value of Year
! This is a comment line
Leere Zeile wird ebenfalls als Kommentar
interpretiert.
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Zeilenfortsetzung
"&" dient zur Zeilenfortsetzung
Beispiel:
A = 174.5 * Year &
+ Count / 100
ist dasselbe wie:
A = 174.5 * Year + Count / 100
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Konstanten/Datentypen I
• Integer Constants: Folgen von Zahlen mit
(optionalem) Vorzeichen: 0, -345, 768
• Real Constants (Decimal Representation): Folgen
von Zahlen und ein Dezimalpunkt mit
(optionalem) Vorzeichen: 23.45, .123, 123., -.12
• Real Constants (Exponential Representation):
Integer oder Real (decimal), gefolgt von "E" oder
"e", gefolgt von einem Integer: 12.34E2, -1.2e-3
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Konstanten/Datentypen II
• Complex Constants: Bestehend aus zwei Real
Constants: (3.1415, -5.5), (1.4, 7.1e4)
• Logical Constants: True und False: .TRUE.,
.FALSE. ("." Beachten!)
• Character String: Müssen durch double quotes
oder single quotes eingeschlossen werden: 'John',
"John" (Bem: "Lori's apple" = 'Lori''s apple'
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Identifiers
• Nicht länger als 31 Zeichen
• Erstes Zeichen muss Buchstabe sein
• Restliche Zeichen (falls vorhanden) bestehend
aus Buchstaben, Zahlen und dem Unterstrich "_"
• Case insensitive (Smith=smith=sMiTh=smitH)
Beispiele (korrekt):
MTU, MI, John, Count, I, X, I1025, a1b2C3
Beispiele (inkorrekt):
M.T.U., R2-D2, 6feet, _System
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Variablendeklaration I
Allgemein:
type-specifier :: list
type-specifier =
INTEGER, REAL, COMPLEX, LOGICAL, CHARACTER
list = kommaseparierte Liste von Variablennamen
Beispiele:
INTEGER :: ZIP, Mean, Total
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Variablendeklaration II
Spezialfall CHARACTER:
CHARACTER(LEN=i) :: List
Beispiel:
CHARACTER(LEN=15) :: Name, Street
Name und Street sind CHARACTER-Variablen der
Länge 15.
"LEN=" ist optional: CHARACTER(15) :: Name, Street
CHARACTER :: digit entspricht CHARACTER(1) :: digit
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Variablendeklaration III
Verschiedene Längen mit einem Statement sind
möglich:
CHARACTER(LEN=10) :: City, Nation*20, BOX, bug*1
City:
Nation:
Box:
bug:
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Länge
Länge
Länge
Länge
=
=
=
=
10
20
10
1
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PARAMETER Attribut
Einer Konstante einen Wert zuweisen
Beispiele
REAL, PARAMETER :: E = 2.71828, PI = 3.141592
INTEGER, PARAMETER :: Total = 10, Count = 5, Sum =
Total*Count
Ein Name, der mit Parameter deklariert wurde, ist
ein Alias für einen Wert und keine Variable!
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Variablen initialisieren
Keine Standardinitialisation (z.B. mit 0, "", usw)
• Beispiele:
REAL :: Offset = 0.1, Length = 10.0
INTEGER, PARAMETER :: Quantity=10, Amount=435
INTEGER :: Pay=Quantity*Amount, Received=Period+5
INTEGER, PARAMETER :: Period=3
Fehler?
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Variablen Werte zuweisen
variable = expression
Der Wert rechts von "=" wird der Variable links vom
"=" zugewiesen
INTEGER :: Total, Amount, Unit
Unit = 5
Amount = 100.99
Total = Unit * Amount
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Arrays I
Allgemein
type, DIMENSION(extent) :: name-1, ..., name-n
Beispiel:
INTEGER, DIMENSION(0:100) :: InputData
INTEGER, DIMENSION(10) :: arr
(Achtung: Index startet hier mit 1!)
INTEGER :: arr(10)
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Arrays II
Zugriff auf Array-Elemente:
array-name ( integer-expression )
Beispiel:
InputData(2)
InputData(i*j)
InputData(3:7)
usw.
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Arrays III
Array-Initialisierung:
Felder lassen sich gleich bei der Deklaration mit
Werten Initialisieren.
Eindimensionale Arrays:
INTEGER :: arr(5) = (/1, 2, 4, 7, 16/)
Mehrdimensionale Arrays (Befehl "reshape"):
INTEGER :: arr(2,3)=reshape((/1, 1, 3/),(/2, 3/))
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Arrays IV
Mehrdimensionale Arrays:
Allgemein:
type, DIMENSION(a:b, c:d, ...) :: arr
Beispiel (2D-Array):
1 2 3
4 5 6 soll in einem 2D-Feld gespeichert werden.
INTEGER :: arr(2,3) = reshape((/1, 2, 3, 4, 5,
6/),(/2, 3/))
(Analog für n Dimensionen)
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Implied DO I
Methode zur raschen Auflistung von vielen
Elementen:
(item-1,...., item-n, var = initial, final, step)
Beispiele:
(i, i = -1, 2) -1, 0, 1, 2
(i, i*i, i=1, 10, 3) 1, 1, 4, 16, 7, 49, 10, 100
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Implied DO II
Anwendung: Array Input
INTEGER, DIMENSION(1:10) :: x
INTEGER :: n, i
READ(*,*) n
DO i = 1, n
READ(*,*) x(i)
END DO
Einfacher:
READ(*,*) n
READ(*,*) (x(i), i=1, n)
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Arithmetische Operatoren
Typ
Operator
**
Arithmetisch
Relational
Assoziativität
rechts nach links
*
/
links nach rechts
+
-
links nach rechts
< <= > >= == /= keine
Logisch
.EQV.
.NOT.
rechts nach links
.AND.
links nach rechts
.OR.
links nach rechts
.NEQV.
links nach rechts
• Priorität von oben nach unten: -3**2 = -9
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Intrinsische Funktionen I
Funktion
Argument Typ
Rückgabe Typ
ABS(x)
INTEGER/REAL
INTEGER/REAL
SQRT(x)
REAL
REAL
SIN(x)
REAL
REAL
COS(x)
REAL
REAL
TAN(x)
REAL
REAL
ASIN(x)
REAL
REAL
ACOS(x)
REAL
REAL
ATAN(x)
REAL
REAL
EXP(x)
REAL
REAL
LOG(x)
REAL
REAL
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Intrinsische Funktionen II
• Unwandlungsfunktionen:
REAL  INTEGER: INT(x), NINT(x), FLOOR(x)
REAL  REAL: FRACTION(x)
INTEGER  REAL: REAL(x)
• Diverse Funktionen:
MAX(x1, x2, …, xn), MIN(x1, x2, …, xn),
MOD(x,y)
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Das READ Statement
Werte von Tastatur in Variablen einlesen:
READ(*,*) list
list: kommaseparierte Liste von Variablen
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Das READ Statement II
Beispiel:
INTEGER :: P, Q, R, S
READ(*,*) P, Q
READ(*,*)
READ(*,*) R, S
Input:
100 200 300
400 500 600
700 800 900
P=?, Q=?, R=?, S=?
Lösung: P=100, Q=200, R=700, S=800
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Das WRITE Statement
Funktioniert wie READ Statement
Allgemein:
WRITE(*,*) exp1, exp2, ..., expn
WRITE(*,*) ohne Argument(e) gibt leere Zeile aus.
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Character Operators
Es existiert nur ein Character Operator:
"//" dient zur Verknüpfung von Strings
Beispiele:
CHARACTER(LEN=*) :: John*4="John", Lori*6="Lori"
CHARACTER(LEN=10) :: Ans1
Ans1 = John // Lori
Ans1 = ?
Lösung: Ans1 = 'JohnLori**' (* = Space)
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Substrings
Anfügen von (integer-exp1 : integer-exp2) an eine
CHARACTER Variable.
Beispiele:
CHARACTER(Len=*) :: LeftHand = "1234567890"
LeftHand(3:5) = "abc"  "12abc67890"
LeftHand(4:) = "lmnopqr"  " 123lmnopqr"
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IF-THEN-ELSE-END IF I
Allgemeine Form:
IF (logical-expression) THEN
statements-1
ELSE
statements-2
END IF
Else und statements-2 optional!
Logical IF:
IF (logical-expression) one-statement
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IF-THEN-ELSE-END IF II
• Verschachtelte IF-THEN-ELSE-END-IF Statements
sind möglich.
• ELSE IF ebenfalls möglich:
IF (logical-expression-1) THEN
statements-1
ELSE IF (logical-expression-2) THEN
statements-2
ELSE
statements-ELSE
END IF
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SELECT CASE Statement
SELECT CASE (selector)
CASE (label-list-1)
statements-1
CASE (label-list-2)
statements-2
.............
CASE DEFAULT
statements-DEFAULT
END SELECT
Wertebereich für label-list-n: (value1 : value2),
also zum Beispiel (:-1) für alle negativen Zahlen.
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General DO-Loop
Allgemein
DO
statements
END DO
"EXIT" verlässt Schleife
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Counting Do-Loop
Allgemein:
DO var=initial-value, final-value, [step-size]
statements
END DO
Wenn step-size nicht angegeben, wird 1
genommen.
"CYCLE" beginnt mit nächster Iteration.
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WHERE
Allgemein:
WHERE( bedingung ) variable = ausdruck
Beispiel:
INTEGER :: arr(5) = (/1,2,3,4,5/)
WRITE(*,*) arr
! Ausgabe: 1 2 3 4 5
WHERE (arr>=3) arr=99999
WRITE(*,*) arr
! Ausgabe: 1 2 99999 99999 99999
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FORALL
Wie WHERE für Einsatz bei Arrays gedacht,
Bestimmung der Feldelemente aber über Indizes:
Allgemein:
INTEGER :: arr(5) = (/1,2,3,4,5/)
INTEGER :: i
FORALL(i=2:4)
arr(i) = 99999
END
WRITE(*,*) arr
! Ausgabe: 1 99999 99999 99999 5
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Datenverbund I
Bildung eigener Datentypen aus FortranDatenelementen:
Allgemein:
TYPE :: typename
[sequence] ! opt. seq. Speicherplatzablage
datentyp :: varname1
! ...
datentyp :: varnamen
END TYPE typename
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Datenverbund II
Beispiel:
TYPE :: PERSON
CHARACTER(25) :: vorname
CHARACTER(25) :: nachname
INTEGER :: alter
END TYPE PERSON
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Unterprogramme
Fortran 95 kennt zwei Typen von
Unterprogrammen:
• Funktionen (FUNCTION): Geben einen Wert von
bestimmtem Typ zurück.
• Subroutinen (SUBROUTINE): Besitzen im
Gegensatz zu Funktionen keinen Datentyp und
Rückgabewert.
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Funktionen I
Allgemein:
type FUNCTION function-name (arg1, ..., argn)
[IMPLICIT NONE]
[specification part]
[execution part]
[subprogram part]
END FUNCTION function-name
Beinahe identisch mit dem Hauptprogram.
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Funktionen II
Beispiel:
INTEGER FUNCTION Sum(a, b, c)
IMPLICIT NONE
INTEGER, INTENT(IN) :: a, b, c
Sum = a + b + c
END FUNCTION Sum
INTENT(IN) definiert die Variable als formale
Argumente. Sie können innerhalb der Funktion
nicht verändert werden.
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Funktionen III
Wohin gehören die Functions?
PROGRAM program-name
IMPLICIT NONE
[specification part]
[execution part]
CONTAINS
[your functions]
END PROGRAM program-name
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Subroutinen I
Allgemein:
SUBROUTINE subName ([formal parameters])
[specification part]
[execution part]
[return]
END SUBROUTINE subName
Aufgerufen werden Subroutinen mit:
CALL subName
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Subroutinen II
Beispiel:
PROGRAM bsp
CALL sub
END PROGRAM bsp
Datei "bsp.f90"
SUBROUTINE sub()
WRITE(*,*) 'Hallo Welt!'
RETURN
END SUBROUTINE sub
Datei "sub.f90"
Kompilieren mittels:
gfortran bsp.f90 sub.f90
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Prozeduren als Parameter I
Prozeduren können als Parameter übergeben
werden.
Unterprogramme werden dazu im Vereinbarungsteil
gekennzeichnet:
• Standard-Funktionen: INTRINSIC namensliste
• Eigene Unterprogramme: EXTERNAL namensliste
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Prozeduren als Parameter II
Beispiel:
PROGRAM bsp
REAL, parameter :: PI=3.1415927
INTRINSIC sin, cos ! intrinsic functions
CALL sub(sin, PI) ! Ausgabe: 0.000000
CALL sub(cos, PI) ! Ausgabe: -1.000000
END PROGRAM bsp
SUBROUTINE sub(funk, x)
REAL :: funk, x
WRITE(*,*) NINT(funk(x)*1000)/1000.0
END SUBROUTINE
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File I/O I
In Fortran ist alles, was mit READ und WRITE
bearbeitbar ist, eine Datei!
Zugriff:
• Sequentiell: Lesen ab Beginn der Datei und dann
immer nächsten Datensatz. Schreiben an's
Dateiende.
• Direkt: Bearbeiten in beliebiger Reihenfolge durch
Angabe der Satznummer.
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File I/O II
Allgemein:
open(liste)
liste (kommasepariert):
[unit =] x: Dateinummer (Integer > 10)
file = x:
iostat =
action =
access =
position
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externer Dateiname
x: -1 für EOF, >0 bei Fehler, 0 sonst
x: 'read', 'write' oder 'readwrite'
x: 'sequential', 'direct'
= x:
Position des Datensatzzeigers
('asis', 'rewind', 'append')
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The legacy of FORTRAN
There is a vast body of Fortran in daily use throughout
the scientific and engineering communities. It is the
primary language for some of the most intensive
supercomputing tasks, such as weather/climate modeling,
computational chemistry, quantum chromodynamics and
simulation of automobile crash dynamics. Indeed, one
finds that even today, half a century later, floating-point
benchmarks to gauge the performance of new computer
processors are still written in Fortran (e.g., the floatingpoint component of the SPEC CPU2000 benchmarks), an
eloquent tribute to the longevity of the language.
en.wikipedia.org
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BASIC Hintergründe
BASIC steht für
Beginner’s All-purpose Symbolic Instruction Code
1964 wurde es am Dartmouth College entwickelt, um
den Elektrotechnikstudenten den Einstieg in Algol
und Fortran zu erleichtern.
BASIC spielte eine massgeblich Rolle in der Anfangszeiten der Firma Microsoft.
BASIC kann wohl als die Sprache mit den meisten
Dialekten bezeichnet werden. Viele neue Dialekte
erfreuen sich heute grosser Beliebtheit (Profan,
VisualBasic, Blitzbasic, Darkbasic, Purebasic).
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50
BASIC Entwurfsprinzipien
BASIC
•
1.
•
2.
•
3.
•
4.
•
5.
•
6.
•
7.
•
8.
liegt acht Entwurfsprinzipien zugrunde:
Für Anfänger einfach zu erlernen
universell einsetzbar
Erweiterbarkeit der Sprache für Experten
Interaktivität
Klare Fehlermeldungen
Rasche Antwortzeiten
Hardwareunabhängigkeit
Betriebssystemunabhängigkeit
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51
Goto I
In Fortan I war Goto neben if-then-else die einzige
verfügbare Kontrollstruktur. Mit Fortran90 wurde
Goto komplett abgeschafft.
Auch im ursprünglichen BASIC spielte Goto eine
wichtige Rolle. Neuere Dialekte verzichten oft auf
das Konstrukt.
In einem Brief an die Zeitschrift der ACM, Go To
Statement Considered Harmful (die berühmte
Phrase stammte von dem damaligen Editor Wirth)
sprach sich Dijkstra für eine Abschaffung des
Statements aus, da es zu Spaghetti Code führe.
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Goto II
Dies löste eine grössere Kontroverse aus, die Knuth
später mit einer relativ realistischen Betrachtung
wohl beendete.
Auch in vielen neueren Programmiersprachen lässt
sich Goto noch finden. Entweder in ursprünglicher
(C#) oder restriktiver Form (Java: return innerhalb
einer Methode, break und continue innerhalb einer
Schleife).
http://www.acm.org/classics/oct95/
http://pplab.snu.ac.kr/courses/adv_pl05/papers/p261-knuth.pdf
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Für Übungsblatt relevante
Vergleiche Fortran-Basic
Kommentare
Variablendefinition
Ausgabe
Benutzereingabe
Kontrollstrukturen
Fortran und Basic
BASIC
;Kommentar
a$
a#
a bzw. a%
Print
Input
Do/Loop
For/Next
While/Wend
If/Then/Else/Endif
A:/Goto A
FORTRAN
!Kommentar
CHARACTER(LEN=i) :: a
REAL :: a
INTEGER :: a
Write
Read
Do/Loop
Do/Loop
Do While/End Do
If/Then/Else/End If
Where
Implied-Do
A:/Goto A(vor Fortan 90)
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