14、工程编程基础：使用C语言和Fortran

最新推荐文章于 2025-07-18 13:22:42 发布

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分类专栏： C与Fortran：工程编程的基石文章标签： C语言 Fortran 工程编程

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工程编程基础：使用C语言和Fortran

1. 引言

在现代工程领域，计算机编程已经成为不可或缺的技能。无论是处理数据、进行仿真，还是开发复杂的应用程序，编程能力都能显著提升工程师的工作效率。本文将探讨C语言和Fortran在工程编程中的应用，帮助读者理解如何利用这两种语言快速解决实际问题。

1.1 计算机历史与架构

计算机的发展历程充满了创新和突破。从最早的机械计算设备到现代的电子计算机，计算机技术的进步极大地改变了我们的生活和工作方式。19世纪初期，英国数学教授查尔斯·巴贝奇设计了差分机，用于计算对数表。后来，他又设计了分析机，这台机器可以使用打孔卡进行编程，被认为是现代计算机的雏形。尽管巴贝奇未能完成分析机，但他的设计为后世计算机的发展奠定了基础。

现代计算机的架构基于冯·诺依曼模型，该模型由五个基本部分组成：输入单元、输出单元、控制单元、算术逻辑单元（ALU）和内存。冯·诺依曼架构的特点是程序和数据可以同时存储在内存中，这使得计算机能够灵活地执行各种任务。控制单元负责解释程序指令，ALU执行算术和逻辑运算，内存则用于存储程序和数据。

1.2 二进制数

计算机使用二进制数进行数据处理。二进制数的基数为2，每一位可以是0或1。与十进制系统不同，二进制数的每一位表示2的幂次方。例如，二进制数 110010011 可以转换为十进制数 403 ，具体转换过程如下：

二进制位	权值	乘积
1	2^8	256
1	2^7	128
0	2^6	0
0	2^5	0
1	2^4	16
0	2^3	0
0	2^2	0
1	2^1	2
1	2^0	1

因此， 110010011 的十进制值为 256 + 128 + 16 + 2 + 1 = 403 。

1.3 虚拟机层次结构

虚拟机层次结构是现代计算机的一个重要概念。它将计算机系统从硬件级别划分为多个抽象层，每一层都有特定的功能和操作。最底层是数字逻辑层，负责执行二进制运算。高层则是面向问题的语言层，如C和Fortran，程序员可以使用这些语言编写应用程序。

虚拟机层次结构的每一层都定义了一台具有冯·诺依曼架构特征的机器。例如，机器代码层由二进制编码指令组成，这些指令由数字逻辑层直接执行。汇编语言层则提供了更高级的指令集，使得程序员可以更容易地编写和理解代码。再往上是面向问题的语言层，如C和Fortran，它们允许程序员使用易于理解的语法编写复杂的程序。

2. 计算机编程基础

编程不仅仅是编写代码，它还涉及到问题的分析和解决。工程师需要掌握一套系统的方法来解决问题，确保程序能够准确地处理数据并产生预期的结果。本文将介绍C语言和Fortran中的基本编程概念和技术。

2.1 问题解决和程序开发

解决问题的第一步是明确陈述问题。例如，我们需要计算一组样本数据的平均值、标准差和方差。具体步骤如下：

明确陈述问题 ：计算一组样本数据的平均值、标准差和方差。
描述所需资源 ：样本数据集、预期结果（平均值、标准差、方差）。
手动处理样本数据集 ：使用计算器计算平均值、标准差和方差。
开发算法 ：设计一个算法来计算这些统计量。
编码算法 ：将算法转化为C或Fortran代码。
测试代码 ：使用已知结果的数据集测试代码。

以计算平均值为例，假设我们有以下数据集：

州	百分比
AL	6.5
AK	7.8
FL	8.6
LA	6.6
NM	4.9
AZ	5.9
CA	8.5
GA	6.4
MS	7.0
TX	6.7

手动计算平均值：

计算百分比总和： 6.5 + 7.8 + 8.6 + 6.6 + 4.9 + 5.9 + 8.5 + 6.4 + 7.0 + 6.7 = 68.9
计算平均值： 68.9 / 10 = 6.89

2.2 编辑-编译-运行循环

编辑-编译-运行循环是程序开发的核心过程。首先，程序员使用编辑器编写源代码。然后，编译器将源代码转换为机器可执行的代码。最后，程序在计算机上运行，输出结果。这个过程可以通过以下步骤进行：

编辑：使用编辑器编写源代码。
编译：使用编译器将源代码转换为目标代码。
运行：执行程序并输出结果。

例如，编写一个简单的C程序来输出“Hello World!”：

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello World!\n");
    return 0;
}

编译并运行这个程序，输出结果为：

Hello World!

3. 类型、运算符和表达式

理解数据类型和运算符是编程的基础。C语言和Fortran中的变量类型决定了它们可以存储的数据种类和范围。常见的数据类型包括整型、浮点型、双精度型和字符型。

3.1 数据类型

在C语言中，变量类型决定了它们可以存储的数据范围和精度。例如， int 类型用于存储整数， float 类型用于存储浮点数， double 类型用于存储双精度浮点数， char 类型用于存储单个字符。

类型	描述	示例
`int`	整型	`-2, -1, 0, 1, 2`
`float`	浮点型	`3.1416, -0.0003`
`double`	双精度浮点型	更大的值
`char`	单字节字符	`A, b, &, *`

Fortran中也有类似的数据类型定义，但还增加了复数型和逻辑型。例如：

REAL :: x_pos, y_pos
INTEGER :: time
COMPLEX :: z
LOGICAL :: flag

3.2 算术运算符

C语言和Fortran中的算术运算符用于执行基本的数学运算。常见的算术运算符包括加法、减法、乘法、除法和模运算符。

C语言	Fortran	描述
`+`	`+`	加法
`-`	`-`	减法
`*`	`*`	乘法
`/`	`/`	除法
`%`	`MOD`	模运算符

例如，计算两个浮点数的和：

float a = 5.0, b = 3.0;
float sum = a + b;

Fortran中的等价代码为：

REAL :: a = 5.0, b = 3.0
REAL :: sum = a + b

4. 控制流

控制流结构使得程序可以根据条件执行不同的操作。常见的控制结构包括 if-then 语句、循环结构和 switch 语句。通过合理使用这些结构，工程师可以编写出高效且易于维护的程序。

4.1 `if-then` 语句

if-then 语句用于根据条件执行特定的操作。例如，如果温度超过200度，激活冷却阀：

if (temperature > 200) {
    activate_cooling_valve();
}

Fortran中的等价代码为：

IF (temperature > 200) THEN
    CALL activate_cooling_valve()
END IF

4.2 循环结构

循环结构允许程序重复执行一段代码。常见的循环结构包括 for 循环、 do-while 循环和 while 循环。这些结构可以根据条件或范围重复执行代码块。

`for` 循环

for 循环用于在特定范围内执行代码。例如，计算华氏温度到摄氏温度的转换表：

#include <stdio.h>

int main() {
    float F, C;
    for (F = 32.0; F <= 212.0; F += 10.0) {
        C = (5.0 / 9.0) * (F - 32.0);
        printf("%3.0f\t%3.0f\n", F, C);
    }
    return 0;
}

`do-while` 循环

do-while 循环先执行代码块，然后根据条件决定是否继续执行。例如，计算一组样本数据的平均值：

#include <stdio.h>

int main() {
    int count = 10, i = 1;
    float mean = 0.0, dpt;

    do {
        scanf("%f", &dpt);
        mean += dpt;
        i++;
    } while (i <= count);

    mean /= count;
    printf("Mean: %f\n", mean);
    return 0;
}

5. 类型转换和函数

类型转换和函数的使用是编程中的关键技术。通过类型转换，程序员可以在不同数据类型之间进行转换，确保程序能够正确处理各种数据。函数则用于封装特定的任务，使得程序更加模块化和易于维护。

5.1 类型转换

类型转换操作符 () 用于将变量或表达式从一种类型转换为另一种类型。例如，将整数转换为浮点数：

float x = (float) 5 / 3;

Fortran中没有显式的类型转换操作符，但可以通过隐式规则进行转换：

REAL :: x = 5.0 / 3.0

5.2 函数

函数是程序的基本组成部分，用于执行特定的任务。C语言中的函数定义如下：

float FtoC(float temp) {
    return (5.0 / 9.0) * (temp - 32.0);
}

Fortran中的函数定义如下：

REAL FUNCTION FtoC(temp)
    REAL :: temp
    FtoC = (5.0 / 9.0) * (temp - 32.0)
END FUNCTION

函数可以返回多个值，但需要通过指针或引用传递参数。例如，将矩形坐标转换为极坐标：

void rec_to_polar(float x, float y, float *r, float *theta) {
    *r = sqrt(x * x + y * y);
    *theta = atan(y / x);
}

Fortran中，子程序可以用于返回多个值：

SUBROUTINE rec_to_polar(x, y, r, theta)
    REAL :: x, y, r, theta
    r = SQRT(x * x + y * y)
    theta = ATAN(y / x)
END SUBROUTINE

6. 指针、数组和结构体

指针、数组和结构体是C语言中的重要特性，允许程序员更灵活地处理数据。指针提供对内存的直接访问，数组用于存储多个相同类型的数据，结构体则用于组合不同类型的数据。

6.1 指针

指针是一个变量，其值为另一个变量的地址。通过指针，程序员可以间接访问和修改变量的值。例如，定义一个指向整数的指针：

int k = 10;
int *pk = &k;

使用指针可以编写更高效的函数。例如，交换两个整数的值：

void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

6.2 数组

数组是多个相同类型变量的集合。C语言中的数组通过索引访问元素，索引从0开始。例如，定义一个二维浮点数组：

float x[5][5];

Fortran中的数组定义如下：

DIMENSION X(5, 5)

数组可以用于存储和处理大量数据。例如，计算一个矩阵的行列式：

#include <stdio.h>

int main() {
    float matrix[2][2] = {{1.0, 2.0}, {3.0, 4.0}};
    float determinant = matrix[0][0] * matrix[1][1] - matrix[0][1] * matrix[1][0];
    printf("Determinant: %f\n", determinant);
    return 0;
}

6.3 结构体

结构体用于组合不同类型的数据。例如，定义一个复数结构体：

struct complex {
    float real, imag;
};

struct complex a, b;

a.real = 1.0;
a.imag = 1.0;
b.real = 2.95;
b.imag = -1.0;

Fortran中的结构体定义如下：

TYPE complex
    REAL :: real, imag
END TYPE

TYPE(complex) :: a, b

a%real = 1.0
a%imag = 1.0
b%real = 2.95
b%imag = -1.0

结构体可以用于封装相关数据，使得程序更加模块化和易于维护。

7. 文件操作

文件操作允许程序读取和写入外部数据。通过文件操作，工程师可以处理大量数据，进行数据分析和可视化。

7.1 低级文件操作

低级文件操作直接处理字节流，适用于需要高性能和精确控制的场景。例如，打开一个文件并读取数据：

#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("data.txt", 0);
    if (fd < 0) {
        printf("File open error... exiting!\n");
        exit(0);
    }

    char buffer[256];
    int bytes_read = read(fd, buffer, 256);
    printf("Read %d bytes from file.\n", bytes_read);

    close(fd);
    return 0;
}

7.2 高级文件操作（流）

高级文件操作使用流来处理数据，适用于需要格式化输入和输出的场景。例如，打开一个文件并写入数据：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *filep = fopen("output.txt", "w");
    if (filep == NULL) {
        printf("File open error... exiting!\n");
        exit(0);
    }

    float x = 0.0;
    while (x <= 1.0) {
        fprintf(filep, "%f\t%f\n", x, sqrt(x));
        x += 0.1;
    }

    fclose(filep);
    return 0;
}

Fortran中的文件操作使用 OPEN 、 READ 、 WRITE 和 CLOSE 语句。例如，打开一个文件并写入数据：

PROGRAM write_data
    INTEGER :: unit = 3
    REAL :: x = 0.0, rootx

    OPEN(unit, FILE='output.txt', STATUS='NEW')

    DO WHILE (x <= 1.0)
        WRITE(unit, *) x, SQRT(x)
        x = x + 0.1
    END DO

    CLOSE(unit)
END PROGRAM

8. 案例研究

通过实际案例研究，可以更好地理解如何将理论应用于实践。本文将探讨两个案例：潮汐计算和控制台绘图。

8.1 潮汐计算

潮汐计算程序用于模拟潮汐高度和时间。该程序由多个函数组成，每个函数执行特定的任务。例如，计算潮汐高度：

#include <math.h>
#include <stdio.h>

float TideHeight() {
    int hour, minute;
    float high1, high2, low1, low2, R, time_float;

    printf("Enter the hour you want to know the tide height for:");
    scanf("%d", &hour);
    printf("Enter the minute you want to know the tide height for:");
    scanf("%d", &minute);

    getParams(&high1, &high2, &low1, &low2);

    R = high1 - high2;
    time_float = TimeFloat(hour, minute);

    return ((high1 - high2) / 2.0 - (R / 2.0) * cos(180.0 * (time_float - low2) / (low1 - low2)));
}

void getParams(float *H1, float *H2, float *T1, float *T2) {
    printf("Enter the high tide height:");
    scanf("%f", H1);
    printf("Enter the high tide hour:");
    scanf("%d", &hour);
    printf("Enter the high tide minute:");
    scanf("%d", &minute);
    *T1 = TimeFloat(hour, minute);

    printf("Enter the low tide height:");
    scanf("%f", H2);
    printf("Enter the low tide hour:");
    scanf("%d", &hour);
    printf("Enter the low tide minute:");
    scanf("%d", &minute);
    *T2 = TimeFloat(hour, minute);
}

float TimeFloat(int hours, int minutes) {
    return (float)hours + minutes / 60.0;
}

8.2 控制台绘图

控制台绘图涉及将数据以图形方式显示，而不是以表格方式显示。例如，绘制正弦波：

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define PI 3.1416

int main() {
    float w, theta, Tstart, Tend, dt, T;
    int P;

    printf("Enter w, theta, Tstart, Tend, dt:");
    scanf("%f %f %f %f %f", &w, &theta, &Tstart, &Tend, &dt);

    for (T = Tstart; T <= Tend; T += dt) {
        printf("%5.2f ", T);
        P = (int)(20 * sin(w * T + theta)) + 20;

        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            if (i == P) {
                printf("*");
            } else if (i == 20) {
                printf("+");
            } else {
                printf(" ");
            }
        }

        printf("\n");
    }

    return 0;
}

控制台绘图可以帮助工程师更直观地理解数据的变化趋势。例如，绘制正弦波的流程图如下：

graph TD;
    A[输入参数] --> B[计算P值];
    B --> C[绘制图形];
    C --> D[输出结果];

通过控制台绘图，工程师可以快速验证算法的正确性，并进行必要的调整。

8. 案例研究（续）

8.1 潮汐计算（续）

潮汐计算程序的另一个重要功能是计算潮汐达到特定高度的时间。这个功能通过 TideTime 函数实现：

float TideTime() {
    float hi, h2, tl, t2, hx;

    printf("Enter the tide height you want the time for:");
    scanf("%f", &hx);

    getParams(&hi, &h2, &tl, &t2);

    return t2 + (tl - t2) * (acos(1.0 - 2.0 * ((hx - h2) / (hi - h2))) / 180.0);
}

TideTime 函数首先从用户那里获取所需的潮汐高度，然后调用 getParams 函数获取潮汐数据。最后，它根据公式计算潮汐达到该高度的时间，并返回结果。

8.2 控制台绘图（续）

控制台绘图不仅可以用于绘制正弦波，还可以用于绘制其他函数。例如，绘制余弦波：

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define PI 3.1416

int main() {
    float w, theta, Tstart, Tend, dt, T;
    int P;

    printf("Enter w, theta, Tstart, Tend, dt:");
    scanf("%f %f %f %f %f", &w, &theta, &Tstart, &Tend, &dt);

    for (T = Tstart; T <= Tend; T += dt) {
        printf("%5.2f ", T);
        P = (int)(20 * cos(w * T + theta)) + 20;

        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            if (i == P) {
                printf("*");
            } else if (i == 20) {
                printf("+");
            } else {
                printf(" ");
            }
        }

        printf("\n");
    }

    return 0;
}

绘制余弦波的流程图如下：

graph TD;
    A[输入参数] --> B[计算P值];
    B --> C[绘制图形];
    C --> D[输出结果];

通过控制台绘图，工程师可以更直观地理解函数的行为，尤其是在分析和设计过程中。控制台绘图的优点在于它不需要复杂的图形库，仅使用简单的文本输出即可实现。

9. 数据范围和作用域

理解变量的作用域和数据范围对于编写高效且无错误的程序至关重要。变量的作用域决定了它可以在程序的哪些部分被访问，而数据范围则决定了它可以存储的数据大小。

9.1 全局变量

全局变量在程序的所有部分都可用。例如，定义一个全局变量：

float global_var = 1.0;

int main() {
    printf("Global variable value: %f\n", global_var);
    return 0;
}

全局变量可以用于多个函数之间共享数据。例如，使用全局变量来存储程序状态：

#include <stdio.h>

float global_var = 1.0;

void set_global(float value) {
    global_var = value;
}

float get_global() {
    return global_var;
}

int main() {
    set_global(2.0);
    printf("Global variable value: %f\n", get_global());
    return 0;
}

9.2 局部变量

局部变量仅在定义它们的函数或代码块内可用。例如，定义一个局部变量：

int main() {
    float local_var = 1.0;
    printf("Local variable value: %f\n", local_var);
    return 0;
}

局部变量的使用可以避免全局变量带来的副作用。例如，使用局部变量来计算函数结果：

float calculate(float x) {
    float result = x * x + 2 * x + 1;
    return result;
}

int main() {
    float x = 2.0;
    printf("Result: %f\n", calculate(x));
    return 0;
}

9.3 外部变量

外部变量用于在不同文件之间共享数据。例如，定义一个外部变量：

// file1.c
float external_var = 1.0;

// file2.c
extern float external_var;

int main() {
    printf("External variable value: %f\n", external_var);
    return 0;
}

外部变量的使用需要注意文件间的依赖关系，确保变量在所有需要的地方都能正确访问。

10. 递归

递归是指函数调用自身的过程。递归在某些算法中非常有用，例如计算阶乘：

int factorial(int n) {
    if (n == 0) {
        return 1;
    } else {
        return n * factorial(n - 1);
    }
}

递归函数需要一个终止条件，以防止无限递归。例如，计算斐波那契数列：

int fibonacci(int N) {
    if (N <= 1) {
        return N;
    } else {
        return fibonacci(N - 1) + fibonacci(N - 2);
    }
}

递归函数的使用可以简化某些算法的实现，但需要注意性能问题。例如，计算斐波那契数列的前15个数字：

#include <stdio.h>

int fibonacci(int N) {
    if (N <= 1) {
        return N;
    } else {
        return fibonacci(N - 1) + fibonacci(N - 2);
    }
}

int main() {
    for (int i = 0; i < 15; i++) {
        printf("Fibonacci(%d) = %d\n", i, fibonacci(i));
    }
    return 0;
}

递归函数的执行流程如下：

初始调用 ：调用 fibonacci(15) 。
递归调用 ： fibonacci(15) 调用 fibonacci(14) 和 fibonacci(13) 。
终止条件 ：当 N <= 1 时，返回 N 。
返回结果 ：从递归调用中返回结果并累加。

11. 库函数

库函数是程序员可以从链接到程序的软件库中使用的函数。常见的库函数包括数学库函数和标准库函数。

11.1 数学库函数

数学库函数用于执行常见的数学运算。例如，计算正弦和余弦：

#include <math.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    float x = 0.0;
    while (x <= 2 * PI) {
        printf("sin(%f) = %f, cos(%f) = %f\n", x, sin(x), x, cos(x));
        x += 0.1;
    }
    return 0;
}

常用的数学库函数包括：

函数	描述
`pow(x, y)`	计算x的y次幂
`sqrt(x)`	计算x的平方根
`log10(x)`	计算以10为底的对数
`exp(x)`	计算e的x次幂
`fabs(x)`	计算浮点数x的绝对值
`sin(x)`	计算x的正弦值，x以弧度为单位
`cos(x)`	计算x的余弦值，x以弧度为单位

11.2 标准库函数

标准库函数用于执行常见的输入输出和字符串操作。例如，生成随机数：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    srand(time(NULL)); // 初始化随机数种子
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("Random number: %d\n", rand());
    }
    return 0;
}

常用的标准库函数包括：

函数	描述
`rand()`	生成伪随机数
`srand(seed)`	设置随机数种子
`abs(i)`	计算整型i的绝对值
`exit(status)`	终止程序并返回状态码

12. 指针和数组

指针和数组是C语言中非常重要的特性，允许程序员更灵活地处理数据。

12.1 指针

指针提供对内存的直接访问，使得程序员可以更高效地处理数据。例如，使用指针交换两个整数的值：

void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main() {
    int x = 1, y = 2;
    swap(&x, &y);
    printf("x = %d, y = %d\n", x, y);
    return 0;
}

指针还可以用于动态内存分配。例如，分配一个动态数组：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int *array = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        array[i] = i;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("array[%d] = %d\n", i, array[i]);
    }
    free(array);
    return 0;
}

12.2 数组

数组用于存储多个相同类型的数据。例如，定义一个多维数组：

float matrix[3][3] = {
    {1.0, 2.0, 3.0},
    {4.0, 5.0, 6.0},
    {7.0, 8.0, 9.0}
};

int main() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            printf("matrix[%d][%d] = %f\n", i, j, matrix[i][j]);
        }
    }
    return 0;
}

数组的索引从0开始，直到数组大小减1。例如，定义一个一维数组并初始化：

float vector[] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};

int main() {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("vector[%d] = %f\n", i, vector[i]);
    }
    return 0;
}

13. 结构体

结构体用于组合不同类型的数据。例如，定义一个表示矩形坐标的结构体：

struct point {
    float x, y;
};

struct point p1, p2;

p1.x = 1.0;
p1.y = 1.0;
p2.x = 2.95;
p2.y = -1.0;

结构体可以用于封装相关数据，使得程序更加模块化和易于维护。例如，定义一个复数结构体：

struct complex {
    float real, imag;
};

struct complex a, b;

a.real = 1.0;
a.imag = 1.0;
b.real = 2.95;
b.imag = -1.0;

结构体可以用于执行复杂的计算。例如，计算两个复数的乘积：

void c_mult(struct complex a, struct complex b, struct complex *c) {
    c->real = (a.real * b.real) - (a.imag * b.imag);
    c->imag = (a.real * b.imag) + (a.imag * b.real);
}

int main() {
    struct complex a, b, c;

    a.real = 1.0;
    a.imag = 1.0;
    b.real = 2.95;
    b.imag = -1.0;

    c_mult(a, b, &c);
    printf("Result: %f + %fi\n", c.real, c.imag);
    return 0;
}

14. 文件操作（续）

7.2 高级文件操作（流）（续）

高级文件操作使用流来处理数据，适用于需要格式化输入和输出的场景。例如，从文件中读取数据并输出到控制台：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *filep = fopen("input.txt", "r");
    if (filep == NULL) {
        printf("File open error... exiting!\n");
        exit(0);
    }

    float x, rootx;
    while (fscanf(filep, "%f\t%f", &x, &rootx) > 0) {
        printf("%f\t%f\n", x, rootx);
    }

    fclose(filep);
    return 0;
}

Fortran中的文件操作使用 OPEN 、 READ 、 WRITE 和 CLOSE 语句。例如，从文件中读取数据并输出到控制台：

PROGRAM read_data
    INTEGER :: unit = 3
    REAL :: x, rootx

    OPEN(unit, FILE='input.txt', STATUS='OLD')

    DO WHILE (.TRUE.)
        READ(unit, *, END=100) x, rootx
        PRINT *, x, rootx
    END DO

100 CONTINUE
    CLOSE(unit)
END PROGRAM

7.3 文件操作的优化

为了提高文件操作的效率，可以使用缓冲区来批量读取和写入数据。例如，批量写入数据到文件：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *filep = fopen("output.txt", "w");
    if (filep == NULL) {
        printf("File open error... exiting!\n");
        exit(0);
    }

    float buffer[100];
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        buffer[i] = i * 0.1;
    }

    fwrite(buffer, sizeof(float), 100, filep);

    fclose(filep);
    return 0;
}

批量读取数据从文件：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *filep = fopen("input.txt", "r");
    if (filep == NULL) {
        printf("File open error... exiting!\n");
        exit(0);
    }

    float buffer[100];
    fread(buffer, sizeof(float), 100, filep);

    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        printf("buffer[%d] = %f\n", i, buffer[i]);
    }

    fclose(filep);
    return 0;
}

通过批量读写数据，可以显著提高文件操作的效率，减少I/O操作次数。

15. 可视化程序

可视化程序通过图形方式展示数据，帮助工程师更直观地理解数据的变化趋势。例如，绘制正弦波和余弦波的图形：

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define PI 3.1416

int main() {
    float w, theta, Tstart, Tend, dt, T;
    int P;

    printf("Enter w, theta, Tstart, Tend, dt:");
    scanf("%f %f %f %f %f", &w, &theta, &Tstart, &Tend, &dt);

    for (T = Tstart; T <= Tend; T += dt) {
        printf("%5.2f ", T);
        P = (int)(20 * sin(w * T + theta)) + 20;

        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            if (i == P) {
                printf("*");
            } else if (i == 20) {
                printf("+");
            } else {
                printf(" ");
            }
        }

        printf("\n");
    }

    return 0;
}

可视化程序的流程图如下：

graph TD;
    A[输入参数] --> B[计算P值];
    B --> C[绘制图形];
    C --> D[输出结果];

通过可视化程序，工程师可以更直观地分析数据，发现潜在的问题，并进行优化。例如，绘制正弦波和余弦波的图形可以帮助工程师理解函数的行为，尤其是在设计控制系统时。

15.1 绘制其他函数

除了正弦波和余弦波，还可以绘制其他函数。例如，绘制抛物线：

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main() {
    float Tstart, Tend, dt, T;
    int P;

    printf("Enter Tstart, Tend, dt:");
    scanf("%f %f %f", &Tstart, &Tend, &dt);

    for (T = Tstart; T <= Tend; T += dt) {
        printf("%5.2f ", T);
        P = (int)(20 * T * T) + 20;

        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            if (i == P) {
                printf("*");
            } else if (i == 20) {
                printf("+");
            } else {
                printf(" ");
            }
        }

        printf("\n");
    }

    return 0;
}

绘制抛物线的流程图如下：

graph TD;
    A[输入参数] --> B[计算P值];
    B --> C[绘制图形];
    C --> D[输出结果];

通过绘制抛物线，工程师可以更直观地理解抛物线函数的行为，尤其是在分析弹道轨迹时。

16. 总结

本文探讨了C语言和Fortran在工程编程中的应用，帮助读者理解如何利用这两种语言快速解决实际问题。通过掌握计算机架构、数据类型、运算符、控制流、类型转换、函数、指针、数组、结构体和文件操作等关键技术，工程师可以编写出高效且易于维护的程序。案例研究展示了如何将这些技术应用于实际问题，如潮汐计算和控制台绘图。通过不断练习和应用，读者可以逐渐提高编程技能，成为一名优秀的工程师程序员。

通过以上内容，读者可以全面了解C语言和Fortran在工程编程中的应用，掌握编程的基本原理和技术细节。希望这篇文章能够帮助读者更好地理解和应用这些编程语言，提升工作效率和编程能力。