Fortran 2003：完美还是虚幻？(续)

william

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PURE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Fortran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。
对IEEE浮点数标准（IEEE 754）的完全支持是Fortran 2003在提高计算精确度和规范性方面的又一个努力。在Fortran 2003中，IEEE标准中描述的下溢（Underflow）可以被正确识别和处理，内部模块IEEE_ARITHMETIC中也为此增加了IEEE_SUPPORT_UNDERFLOW_CONTROL、IEEE_GET_UNDERFLOW_MODE、IEEE_SET_UNDERFLOW_MODE等几个相关的内部过程。
另一个可以大幅提升程序执行效率的改进是Fortran 2003新增加的异步I/O机制。也就是说，执行比较耗时的I/O操作时，程序不必阻塞在I/O语句上，可以继续执行后续的指令。这种机制类似于我们用WIN32函数操作磁盘文件时，可以借助FILE_FLAG_OVERLAPPED标记指明I/O操作应异步进行。
基于Fortran 2003，当我们在外部文件的OPEN语句中指明ASYNCHRONOUS=’YES’时，后续拥有ASYNCHRONOUS=’YES’属性的READ或WRITE语句即以异步方式执行。此后，我们可以继续执行其他语句，或使用WAIT语句等待异步I/O执行完毕。
异步I/O是高性能应用软件必备的特性之一。在Fortran 90/95的时代里，为了实现异步I/O功能，不同的开发商总会在自己的Fortran编译器或程序库中以各自不同的方式，增加对异步I/O的支持。Fortran 2003统一异步I/O语法的做法显然有助于Fortran应用的移植和推广。
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Fortran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Fortran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，我们就可以将Fortran变量定义成与C语言数据结构兼容的数据类型：
REAL(C_FLOAT), DIMENSION(100) :: ALPHA
或者利用C_PTR、C_FUNPTR类型与C语言中的指针或函数指针交互操作：
TYPE(C_PTR) :: BETA
IF (.NOT. C_ASSOCIATED(BETA)) THEN
    BETA = C_LOC(ALPHA)
END IF
对于下面这样的C语言函数：
int foo(void* buf, int count, int *ret)
它对应的Fortran函数接口是：
INTERFACE
    INTEGER (C_INT) FUNCTION foo &
    (buf, count, ret), BIND(C, NAME='foo')
        USE ISO_C_BINDING
        TYPE (C_PTR), VALUE :: buf
        INTEGER (C_INT), VALUE :: count
        TYPE (C_PTR), VALUE :: ret
    END FUNCTION
END INTERFACE
这样，C语言和Fortran语言就可以通过上述接口相互调用。当Fortran语言和C语言之间拥有了统一的连接方式后，Fortran语言与其他语言之间的连接也就不再是困难重重的事了。借助ISO_C_BINDING模块，Fortran语言可以直接（在二进制层面连接）或间接（以C语言为媒介）地与Delphi、C++、Ada、Java、C#等我们常见的通用编程语言交流、沟通。
在国际化方面，Fortran 90已经为Fortran引入了不少国际化支持功能。Fortran 2003则全面支持ISO 10646标准，可以正确处理双字节或四字节的国际字符集。Fortran 2003程序可以通过SELECTED_CHAR_KIND内部过程指明字符数据的编码方式；打开文件时，可以在OPEN语句内利用ENCODING=’UTF-8’或类似的方式指明文件内字符的编码；可以在读写文件时完成ASCII、ISO 10646、UTF-8之间的转换；Fortran 2003代码本身的字符集，以及标识符和字符串常量的长度范围也有所扩充。
另一个和开放性相关的新特性是Fortran 2003对流I/O（Stream Access Input/Output）的支持。作为一种以科学计算为目的的语言，传统的Fortran只提供了读写以记录为单位的外部文件的语法。在单纯的科学计算任务里，这种简单的I/O功能也许可以满足文件读写的需要，但当我们希望Fortran程序和外部应用交换数据的时候，有时就不得不面对如何读取没有固定记录结构的字节流数据的问题了。在Fortran 2003发布以前，我们只能通过编译器提供的扩展功能解决问题。现在，我们可以用标准的方式，在Fortran语言中随机访问外部文件的字节数据。应当说，直到Fortran 2003，Fortran语言才拥有了与C语言的I/O库大致相仿的I/O功能，才在I/O领域具备了通用语言的基本特征。
当我们在C语言中通过main函数的argc和argv参数获取命令行参数的时候，也许我们不会想到，在传统的Fortran语言中，要完成类似的任务，Fortran用户也必须求助于编译器提供的扩展功能。Fortran 2003显著增强了Fortran语言与外部环境的沟通能力。新引入的内部模块ISO_FORTRAN_ENV拥有INPUT_UNIT、OUTPUT_UNIT、ERROR_UNIT这一组对应于标准输入输出的常量（相当于C语言里的stdin、stdout和stderr），拥有GET_COMMAND、GET_COMMAND_ARGUMENT等获取命令行指令，以及GET_ENVIRONMENT_VARIABLE等访问环境变量或系统参数的内部过程。这些都是Fortran语言走向开放的重要标志。
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_62500a1b0100n5eq.html