C与FORTRAN的差别

/c.htm2. C语言和Fortran语言的差异 由于两者产生的背景不同，它们是存在差异的，在比较了几组源代码之后，主要有以下体会： C 最大的优点在于灵活，不但可以藉由 struct 来定义新的数据结构 ，同时 C 的pointer 更可以让我们自由而且有效率地处理大数据。而在 UNIX 系统 中，由于整个操作系统绝大部分就是 C 写出来的，故我们也有方便的 C 函数库， 直接使用系统资源与享受系统带来的服务，以做到一些低阶、快速的动作。而FORTRAN从一开始就用于科学计算，它与C的差异主要表现为： * 复数运算的速度 * 程序参数与字串 * 内存的动态管理 * 多维阵列的处理 * 函数调用与参数传递 2.1. 复数运算的速度 在进行复数运算的时候，C+ 可以定义复数的 class，还可以重新定义所有的四则运算式，复杂的算式也可以做到由一个表达式来解决。但它的重新定义复数四则运算是用函数来做的，使用函数来调用其速度很慢，除非采用 inline function 的方式，但会遇到以下的问题：要先将这个算式拆解，分别算过后再重组结果，故表面上程序代码很简洁，但实际上是 compiler做了很多工作，还是要付出相当的计算时间代价的。 至于 Fortran，最大的优点在于复数 (complex number) 的运算，复数是 Fortran 的基本数据类型之一，这正是 C 所缺乏的 (C 基本上只有实型与整型类型而已)。 虽然C 也可以由 struct 的定义，达到复数四则运算的目的，但 却很可能牺牲了程序效能，或者是程序写起来相当繁杂降低可读性。因此，在大量而且要求高速的复数运算场合， Fortran 实际上比 C 还要适合。 然而既然复数已是 Fortran 基本数据类型之一，则 Fortran compiler在设计上可以做到对复数特别的 optimization，例如如果遇到较短的复数运算式，它可以用“心算” 直接得出 real_part 与 imag_part 的 expression，像这样:real(a) =；imag(a) = . 如此只需两步就得到结果。直到遇到太长太复杂的算式，才去做拆解的动作。 这样使用 C 来做复数运算可能需要绕圈圈，而且绕出来的圈圈可能还不小。不过如果程序中需要复合的数据结构，如一个自定义的数据结构中既有浮点数、整数、还有字符串时， Fortran 只有举白旗投降了。当然， Fortran 如果要做还是可以做，只是不太方便，而且可能也需要绕圈圈。但如果使用 Fortran 90 则不成问题了，因为 Fortran 90 也有类似 C 的 struct 结构以定义复合的数据类型。 2.2. 程序参数与字串 C 程序可以有参数串列， Fortran 则没有。例如，当程序执 行时，必须输入 a, b, c三个参数，在 C 可以这样写:int main(int argc, char *argv) int a, b, c; a = atoi(argv1); b = atoi(argv2); c = atoi(argv3); 而程序执行时，参数就是这样传入: a.out 12 15 18 Fortran 却没有办法 ，要传入任何参数，只能透过对话的方式: integer a, b, c c - write(*,*) please input integer a: read(*,*) a write(*,*) please input integer b: read(*,*) b write(*,*) please input integer c: read(*,*) c c - end 2.3. 内存的动态管理 C 可以动态分配存储空间给任何数据类型，而Fortran 却不行。 例如：float *c_function(int cnt) float *a; a = malloc(sizeof(float) * cnt); /* * 操作 array a. */ return a; 而且如果在程序执行过程中，如果不再需要这个 array a 了，还可以随时释放a所占用的存储空间。而 Fortran 在一般情况下是不行的，因此在一般的 Fortran 程序中，常见所有需要用的 array, 都是在 MAIN_里头就配置好记存储空间，再一个个传入subroutine 里头来用，例如:program fout c - integer cnt parameter (cntP00) real a(cnt) call f_routine(cnt, a) end c - subroutine f_routine(cnt, a) c - integer cnt real a(cnt) c c 操作 array a. c end 这里的 parameter 是设定变数的固定值，其作用就相当于 C 的 const 一样，经设定后的参数就是一个无法改变其值的常数了。有的时候，在某个函数中我们临时需要一个暂存阵列，但等到计算完成离开函数后，该阵列就没有用了，这在 C 可以做的很划算，即进入函数时malloc() 一个阵列，离开前再 free() 掉它。但在 Fortran 中却别无选择，一定要在 MAIN_ 里头先将暂存阵列配置好，再一起传入 subroutine 中。 2.4. 多维阵列的处理 不论是在 C 或 Fortran， 所谓的多维阵列实际上只是一个很长的一维连续存储空间，经过分割后当做多维阵列使用。例如，一个 C 的二维阵列声明如下：double a1210; 则它在存储空间中的配置为：| . | | 所以它实际上是一块 12*10*sizeof(double) bytes 的连续存储区块，而经由以上的声明，compiler 便知道当使用到它时，要将分割成每单位元素为 sizeof(double)，每 10 个单位一组，而总共 12 组的一个二维阵列，则当我们使用阵列的 index 来存取阵列元素时， compiler 也会自动算好该元素阵列在此存储区块的位置，因此就能很方便地使用。 Fortran 也是如此，但有一个很大的不同，它的存储区块分割配置的方式是与 C 反向的。例如声明一个二维阵列如下：double precision a(12,10) 则它在存储空间中的配置为：| . | | 因此，如果我们要在 Fortran 中配置一个与上头那个 C 一模一样的二维阵列时，实际上应该要将其 index 反过来：double precision a(10,12) 除此之外， C 的阵列 index 一律是从 0 开始，对于一个有 N 个元素的阵列，其最后一个 index 是 N-1，且每个阵列元素的 index 值差 1。 Fortran 不一定，要看怎么声明了。例如声明一个阵列如下：double precision a(100) 则此阵列 index 是从 1 开始，最后一个是 100, 每个的值差 1。不仅如此， Fortran 还可以这样声明：double precision a(11:110) 这还是一个一维阵列，共 100 个元素，但第一个元素的 index 是 11, 最后一个是110 。在这里我们可以看到， (idx1:idx2) 这样的叙述在 Fortran 中就是用来指定一个阵列的范围。 2.5. 函数调用与参数传递 C 的函数调用就只有一种方式，函数可以传入参数，也可以返回值，例如：void c_function1(int a, float *b) . int c_function2(int a, float *b) int r; . return r; int main(void) int a, r; float b; c_function1(a, &b); r = c_function2(a, &b); 其中 c_function1() 没有返回值，而 c_function2() 有返回值。而 C 函数的参数传入则有两种方式，正如前面的例子，一个是 call-by-value, 即 (int a)，另一个是call-by-reference, 即 (float *b)，二者的差别在于：call-by-value 是将参数值复制一份副本到子函数的参数列中，让子函数使用，就算子函数改变了副本的值，也只是改变了子函数中的副本，也不会影响到上层父函数的原参数值。Call-by-refernce 则相反，它则是将参数所在的地址当做参数传给子函数中，子函数只知道此参数的存储空间所在的地址，它要存取该参数时，必须由此地址去找到该参数。因此，子函数使用的，其实是与父函数相同的一个参数，故如果子函数改变了此参数的值，则父函数的参数值也跟着改变了。 而Fortran又与 C 相反了。它的函数有两种，一为 subroutine，一为 function。subroutine不会有传回值，但 function 有传回值，就以上 C 的例子， Fortran 的写法如下：subroutine f_function1(a, b) integer a real b . end integer function f_function2(a, b) integer a real b . f_function2 = . end program fout integer a, r, f_function2 real b c - call f_function(a, b) r = f_function2(a, b) end 若从 C 的观点来看， subroutine 其实就相当于 C 的无返回值函数，而 function 就相当于 C 的有返回值函数。但 Fortran 的 function 还要更特殊一点，可以看到，当程序要使用 f_function2 时，必须先申明：integer f_function2 因为它的返回值是 integer。这有点像Fortran 将 function 看做是参数的一种，只是这个参数不太简单，它背后还带着一连串的计算。再看看 f_function2 实际上的写法，在 C 的有返回值函数中，最后一定要用 return 将要返回的参数返回i来，但Fortran 则不是，它是一定要将返回的值设成该函数名(即 f_functio n2), 如此即可返回。这就好像是， function 本身就是一个参数。 不论是 Fortran 的 subroutine 或 function 的参数，其传