Fortran

導入 (Mac)

Fortran を含め、多くの言語では、人間の目に易しい書き方が可能である一方、コンピュータからすれば非常に効率の悪い書き方になっている。なので、人間が書くときには人間に分かりやすく、コンピュータが実行するときにはより効率的な書き方にする必要がある。そのように変換することをコンパイルするという。コンパイルするツールをコンパイラーと呼び、Fortran ではこのコンパイラーが必要である。

環境準備

以下の手順でコンパイラーを導入する準備を行う。

1. Xcode を App Store からインストールする。
2. 以下のコマンドで Command Line Tools をインストールする。
3. XQuartz をインストールする。
4. MacPorts または、 Homebrew または、 Fink などを用いて GNU の Fortran コンパイラーをインストールする。

ここでは、Homebrew の方法で試みる。

Homebrew のインストール

Homebrew のトップページにあるように、以下のコマンド (変更があり得るので確認すること) にて Homebrew をインストールする。 うまくいったら、以下のコマンドで最新状態にアップデートする。 さらにうまくいったら、以下のコマンドで問題がないかチェックする。 後々問題が起こらないように、ここで得られたエラーや警告は全て解決しておこう。 途中、ごちゃごちゃ言われたらその都度内容を読んで対処する。以下、起こりえる問題点を示す。

• Xcode の使用許諾に同意していない。

  → Xcode を起動してライセンス契約にサインする。

• XQuartz が古い。

  → 最新のものにアップデートする。

gfortran (GNU の Fortran コンパイラー) のインストール

gfortran は gcc のパッケージに含まれる。よって、以下のコマンドで、gcc をインストールする。 インストールが完了したら、 と実行してみて、 (インプットファイルが無いよ！) などと出力されたら、うまくいっている。 とすれば、コンパイラーのバージョンが分かる。

コンパイル

以下のようにプログラムファイル (test.f90) をコンパイルする。 すると、a.out というファイルができる。これを実行するには、 とする。ここで、a.out は実行ファイルと呼ばれる。 実行ファイルの名前を変えたければ、 とすればよい。実行ファイルとして、test.exe ができる。

基本的な書き方・ルール

まずは基本中の基本の話から

• プログラムのファイル名は、xxx.f90 とする。 xxx の部分はアルファベット [a-z,A-Z] から始まり、アルファベット [a-z,A-Z] 、数字 [0-9] 、およびアンダーバー _ 、ハイフン - 、プラス記号 + 等が使える。あまり複雑な記号を使うのはエラーの元なので控える。空白文字 (スペース) は使わない。日本語も使わない。
• Fortran 内部では、大文字と小文字の区別はない。パラメーターは大文字で書くなどの統一性を持たせると良い。
• コメント文はびっくりマーク ! で記述し、その行のそれ以降は無視される。
• 長いプログラム文は読みにくいので、適宜改行を入れる。改行を入れるには、 & 記号を行末に書く。また、分かりやすいように、改行後の行頭にも & を入れると良い。
• 基本的に 1 コマンド 1 行だが、セミコロン ; を使って複数のコマンドを 1 行に書くこともできる。
• 配列を使うことができる。配列とは変数名が一つで複数の変数を格納することができる箱。型名及び、次元を与える。

• 文章の構成
  1. プログラム名を書く。
  2. 明示的に型宣言をするように指定する。
  3. 変数を定義する。 型名::変数名 の形で定義する。パラメーターの場合は値も代入する。
     • パラメーター (定数) の定義。全て一般変数で定義してもいいが、パラメーター指定にすると、プログラムの実行速度が早くなり、また、バグの発見が容易になる。
     • 一般変数の定義。
     • よく使う型は以下である。

       型	記述方法	値の例
       整数	integer	1, 2, 5, 10
       実数 (倍精度)	real(kind(0d0)), couble precision	1d0, 2.0d0, 5d-1
       複素数 (倍精度)	complex(kind(0d0))	cmplx(1.0,0.0,kind(0d0)), cmplx(0d0,1d0)
       文字	character(1), character(100), character(*)	'abc', "xyz", "123"
       論理	logical	.true., .false.

     • 変数には対応する形式で代入する。形式は、上の表の「値の例」参照。
     • 変数名はアルファベットから始まれば何でも良いが、以下のルールをオススメする。
       1. 整数は、 i, j, n, m を変数の前に付ける。
       2. 実数は、 d を変数の前につけdる。
       3. 複素数は、 c を変数の前に付ける。
       4. 文字列は、 s を変数の前に付ける。
       5. 論理型変数は、 l を変数の前に付ける。
  4. 実行するコマンドを書く。
  5. プログラムの終了を記述する。
  プログラム例

繰り返しの文

繰り返しの方法は、 do と enddo (end do) を用いる。

i に 1 から 100 までを順番に入れて、それを足しあわせる例。

複数の入れ子構造も可能。

i にまず 1 を入れて、j に 1 から100 までを入れながらその合計を行い、終わったら、i に 2 を入れて、j に同じ操作、という感じに i に 100 が入って、j のループがなされるまで続ける例。

配列の値を操作する場合、Fortran では左側の変数から操作した方が処理が早い。

2 次元配列 darray の i, j 成分をどんどん足していく例。

条件分岐

結果によって処理を変えたいときには、if 文を用いて条件分岐を行う。

dval が 50 以上なら "pass" と書き出し、それ以外なら、"bad" と書き出す例。

dval が 80 以上なら "good" と書き出し、50 以上 80 未満なら "soso" と書き出し、50 未満なら "bad" と書き出す例。

書き出しのコマンド

• DO 反復文

ファイルへの書き出し

ファイルへの書き出しはまずはファイルを開く (作る) open コマンドから始める。 ここでは、10 番という装置番号で test.txt というファイルを開く (作る) ことを行っている。装置番号というのは open に関連付けられた番号で、 とすれば、先ほど 10 番で開いた test.txt に書き込むことができる。 ファイルを開いたら、最後に必ず close 文で閉じなければならない。

既存のファイルを開いて、その一番最後から追加で記述したい場合は、 open にさらに position = 'append' という引数を追加する。 これで、再度 write 文で書き込みを行ったとき、ファイルの途中から書き込みを行ってくれる。

乱数の取り扱い (Intel MKL)

Intel コンパイラーを購入している場合、本格的に乱数を扱いたい場合や、テストで適当な乱数の配列を作りたい場合などに、組み込みの乱数発生装置ではなくて、Intel 謹製の乱数発生装置を用いることができる。その方法について述べる。詳しくはオフィシャルなドキュメントを参照のこと。

以下のようなモジュールを自分で準備して使うと便利。

上記モジュールをコンパイル時に読み込んで、使用したいプログラムの中で、 として、まずは初期化する。 それから、一様乱数なら、(範囲 [0,1]) とすれば良い。ガウス分布の乱数なら、(平均 0.5, 分散 0.2) とする。

コード集