Fortran und BASIC

Fortran und BASIC

10 Programmiersprachen in einem Semester

Fortran und Basic Patrick Mächler, David Ammann 2

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")


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.


Programmstruktur

PROGRAM program-name

[IMPLICIT NONE]

[specification part]

[execution part][subprogram part]

END PROGRAM program-name


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.


Zeilenfortsetzung

"&" dient zur Zeilenfortsetzung

Beispiel:A = 174.5 * Year &

+ Count / 100

ist dasselbe wie:A = 174.5 * Year + Count / 100


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


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'


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


Variablendeklaration I

Allgemein:type-specifier :: list

type-specifier =

INTEGER, REAL, COMPLEX, LOGICAL, CHARACTER

list = kommaseparierte Liste von Variablennamen

Beispiele:INTEGER :: ZIP, Mean, Total


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, StreetCHARACTER :: digit entspricht CHARACTER(1) :: digit


Variablendeklaration III

Verschiedene Längen mit einem Statement sind möglich:CHARACTER(LEN=10) :: City, Nation*20, BOX, bug*1

City: Länge = 10Nation: Länge = 20

Box: Länge = 10bug: Länge = 1


PARAMETER Attribut

Einer Konstante einen Wert zuweisen

BeispieleREAL, 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!


Variablen initialisieren

Keine Standardinitialisation (z.B. mit 0, "", usw)

• Beispiele:REAL :: Offset = 0.1, Length = 10.0

INTEGER, PARAMETER :: Quantity=10, Amount=435INTEGER :: Pay=Quantity*Amount, Received=Period+5INTEGER, PARAMETER :: Period=3

Fehler?


Variablen Werte zuweisen

variable = expression

Der Wert rechts von "=" wird der Variable links vom "=" zugewiesen

INTEGER :: Total, Amount, Unit

Unit = 5Amount = 100.99Total = Unit * Amount


Arrays I

Allgemeintype, 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)


Arrays II

Zugriff auf Array-Elemente:array-name ( integer-expression )

Beispiel:InputData(2)

InputData(i*j)

InputData(3:7)

usw.


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/))


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)


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


Implied DO II

Anwendung: Array InputINTEGER, DIMENSION(1:10) :: xINTEGER :: n, i

READ(*,*) nDO i = 1, n

READ(*,*) x(i)END DO

Einfacher:READ(*,*) nREAD(*,*) (x(i), i=1, n)


Arithmetische Operatoren

links nach rechts.NEQV..EQV.

links nach rechts.OR.

links nach rechts.AND.

rechts nach links.NOT.Logisch

keine/===

>=>

<=<Relational

links nach rechts-+

links nach rechts/*

rechts nach links**Arithmetisc

h

AssoziativitätOperatorTyp

• Priorität von oben nach unten: -3**2 = -9


Intrinsische Funktionen I

REALREALLOG(x)

REALREALEXP(x)

REALREALATAN(x)

REALREALACOS(x)

REALREALASIN(x)

REALREALTAN(x)

REALREALCOS(x)

REALREALSIN(x)

REALREALSQRT(x)

INTEGER/REALINTEGER/REALABS(x)

Rückgabe TypArgument TypFunktion


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)


Das READ Statement

Werte von Tastatur in Variablen einlesen:READ(*,*) list

list: kommaseparierte Liste von Variablen


Das READ Statement II

Beispiel:INTEGER :: P, Q, R, SREAD(*,*) P, QREAD(*,*)READ(*,*) R, S

Input:100 200 300400 500 600700 800 900

P=?, Q=?, R=?, S=?Lösung: P=100, Q=200, R=700, S=800


Das WRITE Statement

Funktioniert wie READ Statement

Allgemein:WRITE(*,*) exp1, exp2, ..., expn

WRITE(*,*) ohne Argument(e) gibt leere Zeile aus.


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)


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"


IF-THEN-ELSE-END IF I

Allgemeine Form:IF (logical-expression) THEN

statements-1ELSE

statements-2END IF

Else und statements-2 optional!

Logical IF: IF (logical-expression) one-statement


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-1ELSE IF (logical-expression-2) THEN

statements-2ELSE

statements-ELSEEND IF


SELECT CASE Statement

SELECT CASE (selector)CASE (label-list-1)

statements-1CASE (label-list-2)

statements-2.............CASE DEFAULT

statements-DEFAULTEND SELECT

Wertebereich für label-list-n: (value1 : value2), also zum Beispiel (:-1) für alle negativen Zahlen.


General DO-Loop

AllgemeinDO

statements

END DO

"EXIT" verlässt Schleife


Counting Do-Loop

Allgemein:DO var=initial-value, final-value, [step-size]

statementsEND DO

Wenn step-size nicht angegeben, wird 1 genommen.

"CYCLE" beginnt mit nächster Iteration.


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=99999WRITE(*,*) arr! Ausgabe: 1 2 99999 99999 99999


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


Datenverbund I

Bildung eigener Datentypen aus Fortran-Datenelementen:

Allgemein:TYPE :: typename

[sequence] ! opt. seq. Speicherplatzablage

datentyp :: varname1! ...datentyp :: varnamen

END TYPE typename


Datenverbund II

Beispiel:TYPE :: PERSON

CHARACTER(25) :: vorname

CHARACTER(25) :: nachnameINTEGER :: alter

END TYPE PERSON


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.


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.


Funktionen II

Beispiel:INTEGER FUNCTION Sum(a, b, c)

IMPLICIT NONEINTEGER, INTENT(IN) :: a, b, c

Sum = a + b + cEND FUNCTION Sum

INTENT(IN) definiert die Variable als formale Argumente. Sie können innerhalb der Funktion nicht verändert werden.


Funktionen III

Wohin gehören die Functions?PROGRAM program-name

IMPLICIT NONE[specification part][execution part]

CONTAINS[your functions]

END PROGRAM program-name


Subroutinen I

Allgemein:SUBROUTINE subName ([formal parameters])

[specification part][execution part][return]

END SUBROUTINE subName

Aufgerufen werden Subroutinen mit:CALL subName


Subroutinen II

Beispiel:PROGRAM bsp

CALL subEND PROGRAM bsp

SUBROUTINE sub()WRITE(*,*) 'Hallo Welt!'RETURN

END SUBROUTINE sub

Kompilieren mittels:gfortran bsp.f90 sub.f90

Datei "bsp.f90"

Datei "sub.f90"


Prozeduren als Parameter I

Prozeduren können als Parameter übergeben werden.

Unterprogramme werden dazu im Vereinbarungsteil gekennzeichnet:

• Standard-Funktionen: INTRINSIC namensliste

• Eigene Unterprogramme: EXTERNAL namensliste


Prozeduren als Parameter II

Beispiel:PROGRAM bsp

REAL, parameter :: PI=3.1415927INTRINSIC sin, cos ! intrinsic functions

CALL sub(sin, PI) ! Ausgabe: 0.000000CALL sub(cos, PI) ! Ausgabe: -1.000000

END PROGRAM bsp

SUBROUTINE sub(funk, x)REAL :: funk, xWRITE(*,*) NINT(funk(x)*1000)/1000.0

END SUBROUTINE


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.


File I/O IIAllgemein:

open(liste)

liste (kommasepariert):[unit =] x: Dateinummer (Integer > 10)file = x: externer Dateinameiostat = x: -1 für EOF, >0 bei Fehler, 0 sonstaction = x: 'read', 'write' oder 'readwrite'access = x: 'sequential', 'direct'position = x: Position des Datensatzzeigers

('asis', 'rewind', 'append')


The legacy of FORTRANThere 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 floating-point component of the SPEC CPU2000 benchmarks), an eloquent tribute to the longevity of the language.

en.wikipedia.org


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 Anfangs-zeiten 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).


BASIC Entwurfsprinzipien

BASIC liegt acht Entwurfsprinzipien zugrunde:• 1. Für Anfänger einfach zu erlernen• 2. universell einsetzbar• 3. Erweiterbarkeit der Sprache für Experten• 4. Interaktivität• 5. Klare Fehlermeldungen• 6. Rasche Antwortzeiten• 7. Hardwareunabhängigkeit• 8. Betriebssystemunabhängigkeit


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.


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


Für Übungsblatt relevante Vergleiche Fortran-Basic

BASIC FORTRAN

a$ CHARACTER(LEN=i) :: aa# REAL :: a

INTEGER :: aPrint WriteInput ReadDo/Loop Do/LoopFor/Next Do/LoopWhile/Wend Do While/End Do

If/Then/Else/End If- Where- Implied-DoA:/Goto A

Kommentare ;Kommentar !KommentarVariablendefinition

a bzw. a%AusgabeBenutzereingabeKontrollstrukturen

If/Then/Else/Endif

A:/Goto A(vor Fortan 90)

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