Fortran 2003：完美还是虚幻？（节选）

发信人: Zora (小宝贝), 信区: Fortran
标  题: Fortran 2003：完美还是虚幻？（节选）
发信站: 南京大学小百合站 (Sun Nov 28 22:38:26 2004)


Fortran 2003：完美还是虚幻？（节选）
王咏刚，2004年8月
 
“Fortran 2003！面向对象的Fortran！自由、开放的Fortran！拥抱Fortran 2003吧！”
我手舞足蹈、兴奋异常。
“Fortran 2003？你发什么颠？”地球物理系一位戴着宽边眼镜的博士生拦住了我，鄙夷
的目光从厚重的眼镜片里直射过来，“我昨天才用Fortran 77做完了课题。你说的‘面向
对象’、‘自由’、‘开放’什么的，都是你们程序员的鬼把戏吧？它们能让我的SCI论文
数量翻番吗？能让我提前评上副教吗？”
“……”

1.不断变革的Fortran
2004年5月，Fortran 2003，这个新世纪里诞生的Fortran语言新标准，终于在ISO、IEC的
联合工作组JTC1/SC22/WG5以及美国Fortran委员会NCITS/J3的共同努力下，走完了编撰、
修订的最后一步。不出意外的话，再过一两年，支持Fortran 2003的开发工具就会充斥Fo
rtran世界；那些仍在坚守Fortran 77阵地的老用户们也会自然而然地把质疑的目光从For
tran 90/95投向更富有革命精神的Fortran 2003。
要了解Fortran 2003，我们有必要先简单回顾一下Fortran语言的历史。
1954到1957年间，世界上第一种高级程序设计语言——Fortran诞生于IBM公司。Fortran这
个名字的原意是IBM Mathematical FORmula TRANslation，其设计目的在于为科研人员提
供一种符合数学思维习惯的高级语言，以满足科学计算的需要。1960年代，在美苏太空竞
赛的大背景下，在国防、教育和科研领域对高性能计算工具的迫切需求下，Fortran语言蓬
勃发展，成为了当时统治计算机世界的高级语言之王。
…… …… ……

2.面向对象的Fortran
从结构化程序设计到面向对象，这是大多数高级语言的发展、演变规律，Fortran也未能免
俗。在Fortran 77中，由于缺乏对数据抽象和数据封装的基本支持，人们很难引入面向对
象的理念和方法。在Fortran 90/95中，尽管我们可以用派生类型（Derived Type）和模块
（Module）模拟一部分面向对象的特性，但却无法实现真正意义上的封装和继承。
对数据和相关操作的封装是面向对象的基础。传统的结构化程序设计语言大多拥有简单的
数据封装能力（如Pascal语言中的record），但缺乏对操作封装的支持。当我们为结构化
程序设计语言引入面向对象机制时，在语法层面一般有两种思路：一种是引入一个全新的
语法容器，允许用户借助该容器定义出封装了数据和操作的统一数据类型，例如，C++在C
语言的基础上扩展出了class的概念，并以class为中心支持面向对象编程；另一种是通过
某种机制，将原有的数据封装容器和表述操作的过程或函数捏合在一起，例如，Ada 95利
用Ada 83中已有的概念，将private type和相关操作封装在package中，创建了完整的面向
对象机制。Fortran 2003对Fortran 90/95的改造正是遵循着后一种思路进行的。
首先，Fortran 2003第一次引入了过程指针（Procedure Pointer）的概念。Fortran 90/
95只支持普通指针。为了实现回调机制，Fortran 90/95特意引入了用过程名充当形式参数
（Dummy Procedure）的语法，但这种语法还无法解决在数据类型中内嵌相关操作的问题。
在Fortran 2003中，我们可以使用过程指针将数据和操作绑定在一起：
TYPE point
 REAL :: x, y
 PROCEDURE (testif), POINTER :: test
END TYPE
这种绑定是一种运行时的动态绑定，我们可以根据需要为过程指针赋值，这类似于我们在
C语言的struct中嵌入函数指针。
其次，如果与类型相关的操作在编译时已经预知，我们就可以直接使用Fortran 2003提供
的类型绑定过程（Type-bound Procedure），将数据和操作关联在一起：
TYPE point
 REAL :: x, y
CONTAINS
 PROCEDURE :: test => my_test
END TYPE
这样，在同一个模块中，类型和相关操作相互关联，用户可以直接使用CALL p1%test或类
似的代码来访问特定操作，这已经非常近似于Ada 95的封装机制了。
和C++或Java语言相比，Fortran 2003的这种过程绑定方式较为靠近语言设计的底层。例如
，对于绑定在point类型中的my_test过程，我们必须显示指明，该过程的第一个参数为po
int类型：
SUBROUTINE my_test(a)
 TYPE(point), INTENT(IN) :: a
END SUBROUTINE
这里的参数a相当于C++或Java方法中隐含的this参数，其目的是将调用该操作的对象实例
传入过程。我把这种显示实现this参数的做法称为“赤裸裸的面向对象”。尽管写起来稍
嫌繁琐，但这种“赤裸裸”的做法也有不少好处。例如，我们可以在Fortran 2003中使用
NOPASS属性禁止传递对象实例，或通过PASS属性改变对象实例参数在过程参数表中的位置
。
…… …… ……

3.自由的Fortran
灵活性一直是Fortran语言的一个弱项。早期的Fortran甚至不支持内存的动态分配。Fort
ran 90引入了指针的概念，全面支持数据的动态存取，同时也引入了泛型过程（Generic 
Procedure）的机制，以支持与C++的函数重载类似的功能。在此基础上，Fortran 2003通
过参数化派生类型、覆盖、多态型等机制，进一步增强了Fortran语言的灵活性。例如：

TYPE point(k, n)
 INTEGER, KIND :: k = KIND(0.0D0)
 INTEGER, LEN :: n
 REAL(KIND=k) :: x, y
 CHARACTER(LEN=n) :: name
END TYPE
基于上面这样的参数化派生类型（Parameterized Derived Type），我们可以在定义对象
时，根据需要指定对象的具体类型参数，也可以在程序运行期间，动态指定可分配内存对
象的类型参数（Deferred Type Parameter）。
除了Fortran 90已经实现的重载（Overloading）机制以外，Fortran 2003还允许扩展类型
覆盖（Overriding）基类型中的类型绑定过程。更重要的是，Fortran 2003通过抽象类型
（Abstract Type）、延迟绑定（Deferred Binding）、多态实体（Polymorphic Entity）
、类型选择结构（SELECT TYPE）等要素完整地实现了面向对象语言必备的多态机制。举例
来说，我们可以声明下面这样的抽象类型：
TYPE, ABSTRACT :: point 
 REAL :: x, y
CONTAINS
 PROCEDURE(testif), DEFERRED :: test
END TYPE
ABSTRACT INTERFACE
 SUBROUTINE testif(p)
  CLASS(point), INTENT(in) :: p
 END SUBROUTINE
END INTERFACE
上述代码相当于在C++或Java语言中声明了一个抽象类，其中的test过程相当于C++语言中
的一个纯虚函数，只有接口声明，而没有实现代码。在此基础上，我们可以从抽象类型po
int扩展出具体的子类型。
当某个对象的具体类型在运行时才能确定时，我们可以用CLASS关键字（这里的CLASS指的
是一组有继承关系的类型，与C++中的class并不等同）定义一个具有多态功能的指针或可
分配对象：
CLASS(point), POINTER :: p
现在，指针p可以指向任何由point扩展的具体类型的对象，这种使用方式已经和我们在C+
+中用基类指针引用派生类对象的做法一模一样了。使用这种具有多态性特征的实体时，我
们还可以用Fortran 2003提供的内部过程SAME_TYPE_AS和EXTENDS_TYPE_OF来判定对象的类
型，这是一种简单的运行时类型识别（RTTI）机制，其功能和C++语言中的typeid关键字相
仿。
…… …… ……

4.高性能的Fortran
与其他科学计算语言或工具相比，Fortran语言在性能上历来是出类拔萃的。因为语言本身
专门针对数值计算、矩阵处理等功能进行了优化，大多数Fortran编译器产生的可执行代码
在效率上甚至会超过以高效著称的C或C++语言。为了在高性能的并行处理系统（如IBM的“
深蓝”和我国的“曙光”）上获得更出色的执行效率，Fortran 95还特意吸收了HPF语言的
优点，为Fortran语言增添了若干支持并行计算的语法特征（比如著名的FORALL语句和PUR
E过程）。
继续改进Fortran语言的计算性能当然也是Fortran 2003的任务之一。一个最明显的例子是
，Fortran 2003引入了VOLATILE属性。这个属性类似于C语言或Java语言中的volatile关键
字。编写过并发或实时应用的程序员都知道这个含义为“易变”的关键字的价值：在并发
系统中，如果没有这个关键字的帮助，我们就必须时刻警惕共享数据的取值是否已被正确
刷新。
不过，相对而言，Fortran语言本身的并行计算机制仍不算十分健全。编写并发或实时程序
时，Ada语言中的任务（Task）管理和同步（Synchronization）机制，或是Java语言中的
多线程同步特性都可以为程序员提供更有力的支持。
实际上，Fortran 95和Fortran 2003陆续引入并行语法的目的之一是消除标准Fortran语言
与已经存在并得到广泛应用的各种Fortran语言变种之间的隔阂，允许同一份Fortran代码
在不同的语言环境间移植。至少到Fortran 2003为止，标准Fortran语言还没有能力完全替
代以HPF为代表的“高性能”Fortran语言变种。仅就适应高性能并行计算环境的能力而言
， HPF等Fortran变种也仍有足够的理由继续存在和发展，直到未来某一个大而全的Fortr
an标准把它们真正统一起来为止。
为了适应现代CPU的时钟精度，Fortran 2003扩展了内部过程SYSTEM_CLOCK的功能，允许其
COUNT_RATE参数为INTEGER或REAL类型。
…… …… ……

5.开放的Fortran
传统意义上的Fortran语言看上去并不那么开放，这恐怕和Fortran语言向来只注重科学计
算，而忽视语言通用性的习惯有关。中国的Fortran用户最常抱怨的两件事情是：不同的F
ortran编译器连接外部程序（如C语言程序或Matlab程序）的方法不尽相同，不同的Fortr
an编译器对中文的支持能力也强弱有别。人们迫切希望制定Fortran标准的专家们能体谅到
最终用户的苦衷，尽早将Fortran纳入开放、规范的发展轨道。
在开放性方面，Fortran 2003为我们带来的第一个福音是，新标准终于规范了Fortran语言
与C语言的连接方式。Fortran 2003提供了一个名为ISO_C_BINDING的内部模块，该模块定
义了Fortran与C语言连接时必需的类型常量。引用了ISO_C_BINDING模块后，我们就可以…
…
…… …… ……

6.象牙塔里的Fortran
无论Fortran 2003多么强调面向对象、灵活和开放，Fortran语言在根本上仍然是一种面向
科学计算的高级程序设计语言。
环顾一下四周，我们很容易发现，Fortran语言最常出现的地方也是科技创新最活跃、知识
密集度最大的地方：在中科院大气物理研究所里，研究人员们正使用Fortran语言编写大气
数据分析软件；在国家高性能计算中心里，Fortran语言正在新安装的曙光并行计算机上执
行着各种科学计算任务；在一个又一个分子生物学、高能物理学、应用数学的国家重点实
验室里，Fortran是研究者们最为倚重的工具之一；在相当数量的理工科学生的课程表中，
Fortran是学生进入大学课堂后接触的第一门高级语言……
但正如本文开头那位博士生所说的那样，国内的Fortran语言应用多半还局限在Fortran 7
7的层面，大多数研究者仍在使用打孔卡片式的代码风格编写Fortran程序。这件事背后的
潜台词是：一方面，Fortran 77已经可以满足大多数科研人员的需要，另一方面，科研人
员不是专业的程序员，不可能有充足的时间学习新语言。在这种情况下，我们有什么理由
让科研人员学习更复杂的面向对象语法并转向更强大的Fortran 95或Fortran 2003呢？

我个人觉得，Fortran 2003为所有Fortran用户带来的不仅是新鲜的语法特性，也是一种新
的选择和机遇。
…… …… ……

7.明天的Fortran
根据JTC1/SC22/WG5工作组和NCITS/J3委员会的规划，2004年5月到2009年8月是下一代For
tran标准的酝酿、编撰和定稿时间。到了2010年时，Fortran语言会变成什么样呢？
在高级程序设计语言的发展史中，我们可以很容易地找出两种截然不同的语言风格。
第一种是LISP语言开创的“实验风格”，这种风格强调高级语言的语法逻辑应尽量服从计
算机表达数据和操作的基本方式，以充分发挥计算机的“智慧”。例如，LISP语言中用“
广义表”来统一描述代码和数据，以及Smalltalk语言用“对象－消息”这样的基本语法结
构来实现面向对象机制的做法都是这种风格的完美体现。不幸的是，“实验风格”的语言
尽管在表达能力和逻辑性上表现出色，但因为更接近电脑而不是更接近人，它们在与普通
程序员的沟通上总显得力不从心，无法得到大多数程序员的认可。
第二种是Fortran语言开创的“实用风格”，这种风格强调高级语言的语法应尽可能接近人
类的自然语言或特定领域（如科学计算）的思维习惯，以简化程序员的编码或维护工作，
降低程序员的学习难度。直接受Fortran影响的BASIC语言，以及间接受Fortran影响的C、
Pascal、Ada、C++、Java、C#语言都是这种风格的杰出代表。在现代软件产业中，“实用
风格”的语言占据了绝对的优势，但随着软件规模的增大，它们也逐渐暴露出了灵活度不
足、表达能力不强、与计算机交流不顺畅的弱点。
现在看来，“实验风格”和“实用风格”在一定程度上的相互融合、相互促进是未来程序
设计语言发展的总体趋势。这一点可以从Python、Ruby等新生代脚本语言的蓬勃发展中见
到一些端倪。
根据这样的判断，Fortran语言在未来的几年里，是不是也会向更灵活、更富有表达能力的
“实验派”靠拢呢？也许是，也许不是。但无论如何，Fortran语言注重科学计算、注重执
行效率的基本特征都不会改变，语言设计者们仍要在Fortran语言天生的“科学属性”与“
现代化”改造的矛盾中谨慎前行——没办法，谁让Fortran语言生来就活脱脱是一个爱科学
、讲科学、用科学的“动脑筋爷爷”呢？

 

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