模块化程序设计——例程和模块ppt课件

.,1,第3章模块化程序设计例程和模块,“模块”直接映射为例程：子程序和函数内部例程和外部例程程序构造单元：主程序（包含有内部例程）、模块（包含有内部例程）、外部例程（单独的，包含有内部例程）,.,2,第一节内部例程,一内部函数1.构造形式实例牛顿法求解方程：方程的一般形式为设根的一个近似值为,新的近似值为：其中：是的一阶导数，通过叠代的方法获得近似解，满足。假设f(x)=x3+x-3，那么f(x)=3x2+1；根的初值设为2；叠代控制条件为f(x)10-6，或者叠代步数不超过20；用F(x)代表f(x)，用DF(x)代表f(x)。,.,3,例3-1牛顿法解方程PROGRAMNewtonIMPLICITNONEINTEGER:Its=0!叠代数INTEGER:MaxIts=20!最大叠代数LOGICAL:Converged=.false.!是否收敛REAL:Eps=1e-6!叠代精度REAL:X=2!根的初值DOWHILE(.NOT.Converged.AND.ItsMaxIts)X=XF(X)/DF(X)PRINT*,X,F(X)Its=Its+1Converged=ABS(F(X)N，不执行DO循环(Fact=1)，当函数Fact返回到主程序打印时，I的值为2；下一次引用时，I在主程序DO循环中增至3，依次类推正确方式是在内部函数中重新声明I为局部变量。例如：INTEGERI在内部例程中声明所有变量应成为一条编程规则，以消除全局变量带来的负面影响。共享数据，声明变量模块。,.,9,3.函数返回值Fortran中，表达式（函数）值一是通过函数名赋值来实现，例如：F=X*3+X-3此时赋值号左边的函数名不能带参数表。另一是通过RESULT子句来实现，例如：FUNCTIONF(X)RESULT(R)REALR，XR=X*3+X-3ENDFUNCTIONF其中，R代表函数结果，其数据类型代表函数类型；赋值号左边不再是函数名F，而是函数结果R,相应的函数类型声明，也由声明函数名F改为声明函数结果R。,.,10,4.语句函数Fortran90也支持Fortran77提供的语句函数，不推荐。例3-3语句函数的使用PROGRAMStatement_FunctionIMPLICITNONEREALf，x，y!函数名f、形参x、实参y均需声明类型f(x)=x*2/SQRT(1.0+2.0*x+x*2)!定义语句函数DOWRITE(*,(A),ADVANCE=NO)输入x的值：READ*,yIF(INT(y)=0)EXIT!0终止循环PRINT*,f(,y,)=,f(y)ENDDOENDPROGRAMStatement_Function,.,11,语句函数的形式为：函数名（参数1，参数2，）=函数表达式语句函数在形式上和数学上的函数表达式完全一样，语句函数使用时应注意以下几点：(1)语句函数先定义后使用，且只能用一条语句来定义；(2)定义语句应放在声明部分，且放在语句函数相关的类型声明之后；(3)参数列表可以为空（此时，函数实际上是一常量表达式），但函数名后边的一对括号，无论在定义还是引用时都不能省略。,.,12,二内部子程序内部子程序和内部函数主要差别在于：（1）没有返回值和子程序名关联，因此无需声明子程序类型；（2）通过CALL语句调用子程序；（3）在例程原型（头）和END语句（尾）中，使用关键字SUBROUTINE；（4）若子程序参数表为空，子程序名后的一对括号可以省略；（5）函数通过函数名返回一个值，子程序通过函数参数可以返回多个值。,.,13,例3-4内部子程序用来实现2个数据的返回（交换）PROGRAMExchangeIMPLICITNONEREAL:A=1,B=5CALLSwop(A,B)PRINT*,A,BCONTAINSSUBROUTINESwop(X,Y)REALTemp,X,YTemp=XX=YY=TempENDSUBROUTINEENDPROGRAM,.,14,程序说明：Fortran参数传递，缺省为引用传递(地址传递)；子程序调用时，实参A、B的值被传递给参数X、Y，改变后的形参值被返回调用程序，实现两个数据的交换；子程序中的Temp为局部变量，在主程序中不可访问；如果希望参数以数值方式传递，这样形参的改变不影响实参，为此Fortran90提供了INTENT属性。内部子程序的构造形式：SUBROUTINE子程序名（参数表）声明语句执行语句ENDSUBROUTINE子程序名,.,15,主程序构造形式：PROGRAM程序名声明语句执行语句CONTAINS内部例程ENDPROGRAM程序名注意事项：（1）一个完整的程序有且只有一个主程序；（2）主程序只有END语句是必须的，其他都是可选的；（3）若含有内部例程，必须出现关键字CONTAINS；（4）可以有多个内部例程，但内部例程不能再含有自己的内部例程，不允许内部例程的嵌套；（5）END语句若出现程序名，其前面的PROGRAM关键字不能少。,第二节主程序,.,16,构造形式：SUBROUTINE子程序名（参数表）声明语句执行语句CONTAINS内部例程ENDSUBROUTINE子程序名或者FUNCTION函数名（参数表）声明语句执行语句CONTAINS内部例程ENDFUNCTION函数名外部例程和内部例程的比较：（1）外部例程是单独的外部文件，除头、尾外，形式上与主程序是相同的；（2）外部例程可以含有内部例程，而内部例程不能再含有内部例程；（3）END语句中的关键字FUNCTION/SUBROUTINE，在外部例程中是可选的，但在内部例程中是必须的。,第三节外部例程,.,17,例3-5采用外部例程实现Swop（交换）PROGRAMExchangeIMPLICITNONEEXTERNALSwop!声明例程Swop为外部的REAL:A=1,B=5CALLSwop(A,B)PRINT*,A,BENDPROGRAMExchangeSUBROUTINESwop(X,Y)REALTemp,X,YTemp=XX=YY=TempENDSUBROUTINESwop若外部程序名与系统的标准例程名相同，编辑器会优先引用标准例程，而不是用户定义的外部例程；为避免出现这种情况，可在调用例程的声明部分，添加外部例程声明语句(EXTERNAL)，这应该成为一个编程惯例。,.,18,例程接口：包括例程名、参数个数及各自的数据类型等信息。分为：显式接口（对标准例程、内部例程和模块例程）和隐式接口（对外部例程）。Fortran90提供接口块，以向调用程序明确外部例程的接口信息。接口块构造形式：INTERFACE接口体ENDINTERFACE接口体由外部例程头、参数声明和外部例程尾构成。参数名可以和外部例程定义用的参数名不同，也可以相同（将外部例程定义的参数声明部分直接拷贝）。,第四节接口块,.,19,例3-6在主程序中添加接口块，实现Swop外部例程PROGRAMExchangeIMPLICITNONEINTERFACESUBROUTINESwop(X,Y)REALTemp,X,YENDSUBROUTINESwopENDINTERFACEREAL:A=1,B=5CALLSwop(A,B)PRINT*,A,BENDPROGRAMExchange在程序中不需要用EXTERNAL语句声明外部例程。,.,20,必须使用接口块的情况：（1）外部例程具有可选参数；（2）例程用来定义操作符重载；（3）外部函数返回数组或变长字符串；（4）外部例程具有假定形状数组，指针或目标参数；（5）例程作参数；（6）例程重载。除了操作符和例程重载外，其他的只要将外部例程转化为模块例程，就可以免去提供接口块的麻烦，模块在Fortran90中具有十分重要的作用。,.,21,1构造形式Fortran90有三种程序单元：主程序、外部例程和模块，模块主要是用来在程序单元之间共享数据和操作例程。其构造形式如下：MODULE模块名声明语句CONTAINS模块例程ENDMODULE模块名,第五节模块,.,22,例3-7模块使用MODULEMyUtilsREAL,PARAMETER:PI=3.1415927CONTAINSSUBROUTINESwop(X,Y)REALTemp,X,YTemp=XX=YY=TempENDSUBROUTINESwopENDMODULEMyUtils！模块和主程序在同一文件中，模块在主程序之前PROGRAMMainUSEMyUtils!位于IMPLICITNONE、声明语句之前IMPLICITNONEREAL:A=PI,B=PI*2CALLSwop(A,B)PRINT*,A,BENDPROGRAMMain,其中：例程Swop被转换为模块例程，主程序通过引用（USE）模块，使用其中的模块例程及数据。,.,23,模块例程作为模块的内部例程，其形式和主程序，外部例程包含的内部例程是一样的，只不过模块例程还可以包含自己的内部例程。模块、主程序、模块例程、内部例程和外部例程的关系如下：其中:Mod-sub指模块例程，Int-subs指内部例程，Ext-sub指外部例程。,Module,Mod-sub,Int-subs,Ext-sub,Int-subs,Mainprogram,Int-subs,Ext-sub,Int-subs,Module,.,24,Fortran90中，数据块程序单元被模块程序单元替代；模块不仅可供主程序和外部例程引用，还可供其他模块引用；主程序、模块、外部例程之间的关系如下图所示：,ProgramA1,UsemoduleA,ModuleA,Contains,Modulesubroutineoffunotion,SubroutineB,Externalsubroutine,CallB,Contains,EndProgramA1,Internalsubroutineoffunotion,主程序、模块、外部例程之间的关系,.,25,2USE语句模块的引用，一般形式为：USE模块名模块的引用，其他形式为：（1）不方便直接使用模块实体名，可在程序中重新命名，引用形式为：USE模块名，重命名列表（新实体名=原实体名）例如：模块YourMod有一个例程或者变量YourPlonk，被重新命名为MyPlonk：USEYourMod,MyPlonk=YourPlonk（2）程序只使用模块中的部分实体，采用如下的引用形式：USEYourMod，ONLY：X，Y这表示只使用模块YourMod中的X和Y，冒号后边的实体可被重命名。（3）假如要同时引用多个模块，每个模块都要使用单独的USE语句，并使USE语句出现在IMPLICITNONE之前，模块的先后次序无关紧要。,.,26,3PUBLIC和PRIVATE属性信息隐蔽：PRIVATE，将模块内部使用的实体隐藏，实体访问只限于模块内；缺省访问属性：PUBLIC，外部程序只使用公共部分的实体。例如：REAL，PRIVATE:X将实型变量X规定为私有的，只能在模块内访问。PRIVATEX，Swop同时规定变量X，例程Swop为私有的。PRIVATEPUBLICSwop不带实体列表，除Swop外，其余的模块实体都是私有的。,.,27,第六节例程参数,形参（虚参）：相对于实参而言例程在定义时，列表中的参数只是特定数据类型的占位符，系统不会为他们分配存储单元，称为形参或者虚参；例程被调用或引用时，列表中的参数被分配一定的存储单元，并接收外部实参传递进来的值；例程执行完毕，例程中的参数所占有的存储空间被系统自动释放，空间中保存的参数值也随之消失。例程中的局部变量具有同样的性质：例程执行时“生存”，例程不执行时“消亡”；如果声明变量具有SAVE属性，局部变量就是静态变量，从例程中被调用到程序结束，一直保存有特定的值。,.,28,1参数传递实参和虚参之间的数据传递（1）引用传递；（2）值传递。Fortran中参数（包括数组参数）通常是以引用方式传递，即地址传递；在实参为常量和表达式的情况下，参数是以值方式传递；若将变量实参括起来，该实参被转化为表达式，表达式以值方式传递。例如：CALLSub（A），B）其中，（A）是表达式，以值方式传递。*引用传递就是将实参的内存地址传递给虚参，例程中虚参的变化会反映到实参中；值传递就是将实参值的拷贝传递给虚参，虚参的变化不会影响实参。*为确保参数按用户的意愿进行传递，Fortran90提供了INTENT属性，例如：SUBROUTINESUB（X，Y，Z）REAL，INTENT（IN）:X!向例程传入数据，拥有该属性的虚参不允许改变REAL，INTENT（OUT）:Y!向例程传出数据，对应的实参必须是一变量REAL，INTENT（INOUT）:Z!传出/传进数据，对应的实参必须是一个变量ENDSUBROUTINESUB,.,29,2参数类型匹配PROGRAMMainIMPLICITNONEEXTERNALSubINTEGER:X=1！对应实参X声明为整型CALLSub(X)PRINT*，X=，XENDPROGRAMSUBROUTINESub（A）IMPLICITNONEREAL，INTENT（INOUT）:A！虚参A声明实型，对应实参为XA=A+1ENDSUBROUTINE例3-8中，参数类型不匹配，出错！,.,30,3可选参数参数列表可以很长，但并不是所有的参数都需要传递，这种情况下，可以规定部分或全部参数具有可选（OPTIONAL）属性。假如参数列表既有必选参数又有可选参数，那么所有的必选参数必须放在可选参数之前，先必选，后可选。例如一个外部例程Sub有6个参数，2个必选，4个是可选，调用程序中的接口块形式如下：INTERFACESUBROUTINESub(DumU,DumV,DumW,DumX,DumY,DumZ)REALDumU,DumV,DumW,DumX,DumY,DumZOPTIONALDumW,DumX,DumY,DumZENDSUBROUTINEENDINTERFACE,.,31,调用语句CALLSub（A，B）！1CALLSub（A，B，C，D）！2CALLSub（A，B，DumX=D，DumY=E，DumZ=F）！3对！1，只有必选参数DumU，DumV被传递；对！2，2个必选参数DumU，DumV和前面的2个可选参数DumW，DumX被传递；对！3，2个必选参数DumU，DumV和后边的3个可选参数DumX，DumY，DumZ被传递。对！1，！2，没有特别说明，参数传递按照列表顺序；对！3，可选参数可以不按声明的列表次序进行调用；若不按列表次序调用，可选的虚参名必须被引用（需要提供关键字参数列表）。一旦某个可选参数使用了关键字，其后面的可选参数都使用关键字。例如：CALLSub（A，B，DumX=D，E，F）是错误的外部例程使用可选参数，需要在调用程序中建立其接口块。,.,32,例3-9可选参数的使用MODULEModIMPLICITNONECONTAINSREALFUNCTIONFunc(X,A,B,C)!计算FUNC(X)=A*X2+B*X+C!A,B,C不传入，值为0REAL,INTENT(IN):X!X值一定要传入REAL,OPTIONAL,INTENT(IN):A,B,C!A,B,C可以不传入REALRA,RB,RCRA=0.0;RB=0.0;RC=0.0!几个简单的赋值语句放在一行IF(PRESENT(A)RA=A!检查可选参数是否存在IF(PRESENT(B)RB=BIF(PRESENT(C)RC=CFunc=RA*X*2+RB*X+RCENDFUNCTIONENDMODULEPROGRAMMainUSEModIMPLICITNONEPRINT*,Func(2.0,C=1.0)!F(2)=0*22+0*2+1=1PRINT*,Func(2.0,B=1.0,A=2.0)!F(2)=2*22+1*2+0=10ENDPROGRAM,.,33,例程重载：指不同参数列表的例程被赋予相同的名字，例程调用时，编译器会依据所传递的实参类型，按实参和虚参类型匹配的原则，调用或引用相关的例程。例如子程序Swop（X，Y），其功能是交换2个数的值。其中的2个参数，可以是实数，也可以是整数。例3-10MODULEModIMPLICITNONEINTERFACESwop!Swop是调用时使用的例程名MODULEPROCEDURESwopReal,SwopIntegersENDINTERFACE,第七节例程重载,.,34,！实型数据交换CONTAINSSUBROUTINESwopReals(X,Y)REAL,INTENT(INOUT):X,YREALTempTemp=XX=YY=TempENDSUBROUTINE！整型数据交换SUBROUTINESwopIntegers(X,Y)INTEGER,INTENT(INOUT):X,YINTEGER,TempTemp=XX=YY=TempENDSUBROUTINEENDMODULE！主程序PROGRAMMainUSEModIMPLICITNONEREAL:A=1.0,B=2.0INTEGER:I=1,J=2CALLSwop(A,B)CALLSwop(I,J)PRINT*,A=,A,B=,BPRINT*,I=,I,J=,JENDPROGRAM,.,35,建立重载例程接口块，以调用的例程名命名接口块：INTERFACESwopMODULEPROCEDURESwopReals，SwopIntegersENDINTERFACE体的例程作为外部例程，调用程序过程中建立的接口块为：INTERFACESwop！相比一般的例程接口块，多了接口名SwopSUBROUTINESwopReals（X，Y）REAL，INTENT（INOUT）:X，YENDSUBROUTINESUBROUTINESwopIntegers（X，Y）INTEGER，INTENT（INOUT）:X，YENDSUBROUTINEENDINTERFACE,.,36,递归例程：在一个例程体内出现直接或间接调用例程自身的语句，称该例程为递归例程。递归例程的典型例子是计算n！Fortran90支持递归，但必须添加RECURSIVE关键字，在例程是函数的情况下，还须添加RESULT子句；在递归函数体内引用函数自身时，用的是函数名(Factorial)，赋值给函数时，用的是结果名(Fact)。,第八节递归例程,.,37,例3-11递归函数求n!PROGRAMMainIMPLICITNONEINTEGERIDOI=1,10PRINT*,I,!=,Factorial(I)ENDDOCONTAINSRECURSIVEFUNCTIONFactorial(N)RESULT(Fact)INTEGERFact,NIF(N=1)THENFact=1ELSEFact=N*Factorial(N-1)！引用的是函数名Factorial！赋值采用的是FactENDIFENDFUCTIONENDPROGRAM,.,38,递归算法简单直观，容易编写程序，但递归算法执行效率低，原因是递归包含递推和回归2个过程，系统分别要进行进栈和出栈操作。例如求5!，递推过程：5!=54!4!=43!3!=32!2!=21!1!=1回归过程：2!=21!=23!=32!=64!=43!=245!=54!=120所以递归程序设计除了要找出递归表达式外，还要确定递归的终止条件（如：1！=1），无限递归没有任何意义；在递归子程序下，同样须添加RECURSIVE关键字。,.,