Wissenschaftliches Programmieren

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1 Wissenschaftliches Programmieren álint Aradi /cms/people/b_aradi/ 1. Einführung, lokale Rechnerumgebung, Editor, ompiler

2 Allgemeines Wissenschaftliches Programmieren = Umsetzung numerischer Algorithmen in eine Programmiersprache, um wissenschaftliche Probleme zu lösen. odell aufstellen Numerischen Algorithmus auswählen Grobe Programmstruktur planen chnittstellen (interfaces) festlegen Programmieren Testen Dokumentieren Weiterenwickeln, wiederverwenden Korrektheit Numerische tabilität Genaue Diskretisierung (Fehlerabschätzung!) Flexibilität Effizienz (Geschwindigkeit, peicher) Einige berühmte numerische Katastrophen: remen enter for Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/2) omputational aterials cience

3 Einführung, lokale Rechnerumgebung, Editor, ompiler Grundlegende Datentypen, if-abfrage, chleifen Arrays, dynamische peicherallokierung Input/Output (stdin/stdout, externe Dateien) Unterprogramme, Funktionen, Rekursion, odule, data hiding Linken von Objektdateien, Abhängigkeiten, akefiles Zusammengesetzte Typen (derived types), Überladen von Funktionen Versionsverwaltung Testen von Programmen Thematik Verwendung externer ibliotheken (LA, LAPAK) chnittstellendokumentation, Quellcodedokumentation odeoptimierung (profiling), Fehlersuche (debugging) Paralleles Programmieren remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/3)

4 Literatur Verwendete Literatur: odern Fortran explained (. etcalf, J. Reid,. ohen, Oxford Univ. Press, 2012) Writing cientific oftware (. Olilveira, D. tewart, ambridge Univ. Press, 2006) Numerical recipes (W. H. Press et al., ambridge Univ. Press, 2007) Nur für die numerischen Algorithmen, auf keinen Fall um Fortran zu erlernen! Fortran 95/2003 for scientists and engineers (. J. hapman, cgraw Hill, 2007) Fortran 90 Vorlesung an der Universität ayreuth 90/ Vorlesungsfolien von der Webseite der Veranstaltung herunterladbar: /cms/people/b_aradi/wissen_progr/download Dokumentation der verwendeten Tools im Internet Newsgroups (z.. comp.lang.fortran, stackoverflow) remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/4)

5 Organisatorsiches Ablauf: ca inuten Vorlesung 2 tunden anschließende Übung Nacharbeitung zu Hause (Übungen bauen aufeinander auf!) Vergabe von Kreditpunkten: Wissenschaftliches Programmierprojekt (jeweils 2 Personen) Projektspezifikation in der 10. Vorlesungswoche odularer Aufbau akefile enutzung externer ibliotheken Dokumentation (Quellcode, chnittstellen, enutzerdokumentation) Tests Abgegeben wird ein Repository (mit Versionsgeschichte)! Auswertungsgespräch 2 Wochen nach der Abgabe remen enter for Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/5) omputational aterials cience

6 Warum Fortran? Vorteile: ompilierte prache (Geschwindigkeit bei wissenschaftlichen Projekten oft kritisch) Wird für wissenschaftliche Programmierprojekte immer noch bevorzugt eingesetzt ultidimensionale Arrays sind estandteil der prache, Arraynotation sehr effizient Komplexe Zahl intrinsischer Datentyp chnell erlernbar Nachteile: ommunity nicht so groß, wie z.. bei oder ++ ompilerentwicklung entsprechend langsam vernünftige Fortran 2003 ompiler erst jetzt (2013) zugänglich, Fortran 2008? Tools (IDE, Debugger, etc) nicht so ausgereift wie in anderen prachen Ein Paar nützliche prachelemente fehlen: Templates, mehrfache Vererbung oder Java-Interfaces remen enter for Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/6) omputational aterials cience

7 Interessante Diskussion über Fortran: Petition to retire Fortran: Warum Fortran? Antwort (NAA-itarbeiter): remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/7)

8 Geschichte von Fortran Urzeiten der omputer: oktale Kodierung, später Assembler Entwurf: 1953, John. W. ackus, I Fortran = FORmula TRANslation (erste jemals tatsächlich realisierte höhere Programmiersprache!) Erstes lauffähiges Fortranprogramm: 1954 Frühere Versionen: Fortran I, Fortran II, Fortran-66 (1. standardisierte prache) Fortran-77 (1978) Unterprogramme, chleifen, if-abfragen etc. /Lochkartenformat!/ Fortran 90 (1991) Freies Quellcodeformat, Zusammengesetzte Typen Fortran 95 (1997) Kleine Korrekturen des Fortran-90-tandards Fortran 2003 (2004) Unterstützt objektorientiertes Programmieren, -Interkompatibilität Fortran 2008 (2009) Paralleles Programmieren via oarrays remen enter for omputational aterials cience Fortran 201X (?) Verbesserte -Kompatibilität Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/8)

9 Warum Linux? Vorteile: Die meisten wissenschaftliche imulationen in Unix-Umgebung (Queue-ystem) ehr nützliche (meistens nicht graphische) Tools (grep, sed, awk, etc..) Kostenlos ommunity-unterstützung exzelent Nachteile: Graphische Tools nicht immer so benutzerfreundlich wie unter Windows. remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/9)

10 Graphischer Dateimanager K/Favorites/File anager Dateien in aum stukturiert (Verzeichnisbaum) Eigene Dateien in sog. Home-Verzeichnis Kopieren, Umbenennen, etc. wie unter Windows (Drag & Drop) Unix / Linux / Kubuntu rashkurs In KDE4 (Windowmanager) gibt es mit den tandardeinstellungen keinen Doppelklick! Einfach Klicken: Datei ausführen / Wechseln ins Verzeichnis Datei wird über + (-) Zeichen links oben selektiert (deselektiert) Kann aber unter K/ystem etting/keyboard & ouse/ouse umgestellt werden remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/10)

11 Unix / Linux / Kubuntu rashkurs Wir werden meistens im Kommandofenster arbeiten und efehle eintippen. K / Applications / ystem / Terminal Home-Verzeichnis: /home/poolxy/uernae (/home/pool02/wp102) Home-Verzeichnis kann in den Unix-efehlen mit ~ (Tilde) abgekürzt werden remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/11)

12 Unix / Linux / Kubuntu rashkurs Einige Unix-efehle: pwd ls cd dir cd.. cp source dest mv source dest rm file rmdir dir man command Aktuelles Verzeichnis angeben (print working directory) Dateien im aktuellen Verzeichnis auflisten (lit) Ins Verzeichnis dir wechseln (change directory) Eine Verzeichnisebene höher wechseln Eine Kopie von source nach dest anlegen (copy) Die Datei source zu dest umbenennen (move) Die Datei file löschen (remove) Das leere Verzeichnis dir löschen (remove directory) eschreibung von command (manual) z..: man cp (lättern: Leerzeichen, Zurück: b, Ausstieg: q) remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/12)

13 Unix / Linux / Kubuntu rashkurs emerkungen: efehl wird ausgeführt, wenn [ENTER] gedrückt wird Dateityp wird bei ls durch Farbe angezeigt: Normale Dateien: weiß Verzeichnisse: blau Unix ist ein etriebssystem für Leute, die wissen was sie tun: Löschen und Überschreiben sind unwiderruflich! itte zuerst DENKEN und dann [ENTER] drücken remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/13)

14 Ihr persönliches Linux/Unix Ihr Account hier im -Poolraum (ie können sich nur von hier einloggen!) Windows-User: ie können (sollten!) Linux/Unix an Ihrem Laptop ausprobieren: Live-IO Image von der Webseite der Veranstaltung herunterladen it dem Programm UNETOOTIN können ie mit diesem Image einen bootbaren U-tick erstellen. tellen ie dabei ein Paar (z.. 50) für den Dateibereich ein, der zwischen Reboots erhalten werden soll: pace used to preserve files across reboots ooten ie Ihr Laptop vom U-tick ie können selbstverständlich Linux auch dauerhaft (neben Windows) installieren. (Distribution: egal, wir benutzen hier Kubuntu). ac-user: ie haben schon Unix (D) auf Ihrem Laptop. Versuchen ie die Programme, die wir hier verwenden, zu installieren. remen enter for Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/14) omputational aterials cience

15 Emacs 23 Textdateien (Quellcode unserer Programme) werden wir mit dem Editor Emacs erstellen und bearbeiten K / Development / Text Editor (GNU Emacs 23) enüs Texteingabe tatuszeile Kommandozeile (minibuffer) remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/15)

16 Emacs 23 Neue Datei erstellen: File / Visit New File Verzeichnis auswählen Dateinamen eingeben Datei erzeugen Existierende Datei öffnen: File / Open File oder trl-x trl-f (Zwei Tastenkombinationen nacheinander) Datei peichern: File / ave oder trl-x trl- remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/16)

17 Emacs 23 Eingegebener Text (Wenn uchstaben zu groß: oder zu klein Options / et default font Options / ave options) Datei geändert seit letzter peicherung Kodierung (UTF-8) Dateiname (muss auf.f90 enden!) remen enter for Aktuelle Zeile Position in der Datei (All alles sichtbar) omputational aterials cience Eingabemodus Fortran 90 Abkürzungen werden aufgelöst Automatischer Zeilenumbruch Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/17)

18 Emacs 23 Tutorial Help / Emacs Tutorial oder trl-h t itte Tutorial unbedingt durchüben! (man arbeitet wesentlich schneller, wenn man sich im Editor nicht völlig verloren fühlt!) remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/18)

19 Erster Fortrancode hello_world.f90: lock! The hello world program program hello_world implicit none write(*,*) "Hello World!" end program hello_world Kommentar Programmname tring Outputdatei, Outputformat efehle Inhalt eines lockes sollte zwecks Lesbarkeit immer entsprechend (z.: mit 2 Leerzeichen) eingerückt werden! remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/19)

20 Abkürzungen für Emacs iehe Datei: /usr/local/share/init-emacs-fortran/.emacs_abbrevs pm$ wird zum program ergänzt Um diese zu benutzen, führen ie init-emacs-fortran im Kommandofenster aus. Dann Emacs neu starten. Wenn ie eigenes Linux verwenden, laden ie die entsprechenden Dateien von der Webseite herunter, entpacken ie sie und kopieren ie diese in Ihr HOE-Verzeichnis (~). remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/20)

21 Ersten Fortrancode eingeben hello_world.f90: program hello_world implicit none write(*,*) "Hello World!" end program hello_world Eintippen: pm$ hello_world[enter] im$[enter] [ENTER] wr$(*,*) "Hello World!"[ENTER] [ENTER] end[enter] Hinweise: [ENTER] wurde umdefiniert: Zur Ende der Zeile, Umbruch, neue Zeile einrücken Wenn irgendwo in der Zeile Umbruch nötig ist: trl-j it Abkürzung, automatischer Einrückung und Vervollständigung: 50 statt 90 Tastenschläge anuelles Einrücken: [TA] (die Taste links mit den zwei horizontalen Pfeilen) remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/21)

22 ompilieren: Ersten Fortrancode compileren und ausführen Im Kommandofenster in das Verzeichnis mit dem Quellcode wechseln cd ~/work/hello1 Quellcode mit dem Fortrancompiler in binäre ausführbare Datei umwandeln gfortran -o hello_world hello_world.f90 Argument(e) (welche Dateien sollen bearbeitet werden) efehl (Name des Programmes) Wenn keine (Fehler)eldung: alles OK Wenn Fehlermeldung: sorgfältig lesen, ode korrigieren Ausführen:./hello_world remen enter for omputational aterials cience Option(en) (verändert Programmverhalten, optional) Optionen werden mit - eingeleitet Optionen erwarten oft einen Wert -o Dateiname etze Namen des ausführbaren Programmes auf Dateiname (Default: a.out) Programm im aktuellen Verzeichnis mit Namen hello_world ausführen Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/22)

23 Zweiter Fortrancode! Personalized version of the hello world program program hello_person implicit none Variablendeklaration character(len=10) :: name write (*,*) "Please enter your name:" read (*,*) name write (*,*) "Hel& &lo ", trim(name) // "!" Zeilenumbruch (funktioniert auch innerhalb von trings) tringverkettung end program hello_person emerkungen: aximale Zeilenlänge: (wegen Lesbarkeit, bitte nur max. 80 haraktere!) Zeilenumbruch mit & markiert (Anfang, Ende), Leerzeichen dazwischen ignoriert Emacs: Zeilenumbruch mit Fortsetzungszeichen: trl- [Enter] Kommentare werden mit Rufzeichen (!) eingeleitet remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/23)

24 Aufgaben Ia. Legen ie in Ihrem HOE-Verzeichnis ein Unterverzeichnis work an. cd ~ mkdir ~/work Ib. Erstellen ie ein Untervezeichnis hello1 unter work. cd work mkdir hello1 Ic. Erstellen ie die Datei hello_world.f90 im Verzeichnis ~/work/hello1 mit Emacs und tippen ie das erste Fortranbeispiel ein. Vergessen ie nicht, die Datei zu speichern. Id. ompilieren ie das Fortranprogramm hello_world.f90 und führen ie es aus! Ie. Erstellen ie das Verzeichnis ~/work/hello2. Kopieren ie die Datei ~/work/hello1/hello_world.f90 in dieses Verzeichnis. cp ~/work/hello1/hello_world.f90 ~/work/hello2/ Nennen ie die Datei in hello_person.f90 um. cd ~/work/hello2 mv hello_world.f90 hello_person.f90 remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/24)

25 Aufgaben If. Öffnen ie hello_person.f90 mit Emacs, und verändern ie die Datei entsprechend dem zweiten Fortran-eispielprogramm. Ig. ompilieren ie das Programm, und führen ie es aus. Ih. eantworten ie folgende Fragen/Probleme: Was passiert, wenn ein Name länger als 10 haraktere eingegeben wird? Was passiert, wenn der eingegebene Input Leerzeichen enthält? Was passiert, wenn statt trim(name), nur name nach dem Write-efehl steht? II. Arbeiten ie das Emacs-Tutorial durch! III Installieren ie Linux auf Ihr omputer/laptop. remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/25)

26 evor ie starten Um die Emacs-Einstellungen optimal für Fortran einzustellen, bitte ausführen: init-emacs-fortran Wenn ie eigene Linuxdistribution verwenden: Initialisierungsarchiv von der Webseite der Veranstaltung herunterladen Auspacken Dateien.emacs und.emacs_abbrevs in das HOE-Verzeichnis kopieren. remen enter for omputational aterials cience Wissenschaftliches Programmieren, 2015 (1/26)

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