Teil 4 FORTRAN. Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 1

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1 Teil 4 FORTRAN Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 1

2 Inhaltsübersicht HPS WS 2002/03 - Grundlagen (1,2,3) - Konzepte imperativer Programmiersprachen (3,4) - Deklarative Programmiersprachen (5,6) - Objektorientierte Programmiersprachen (6,7) - Wissenschaftliches Rechnen: Fortran (8) - Formale Semantik - Operationale Semantik mit ASMs (9) - Operationale Semantik mit natürlicher Semantik und SOS (10) - Denotationelle Semantik (11) - Axiomatische Semantik (12) - Skriptsprachen (13) - Wirtschaftsanwendungen: - Cobol (14) - Abap/4 (15)

3 Teil 4 FORTRAN (FORmula TRANslator) Fortran I: 1954 Fortran IV: 1966 Fortran 77: 1977 Fortran 90: 1990 Fortran 95: 1995 high performance FORTRAN (HPF): Fortran 90 für SIMD-Rechner Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 3

4 Programmformate Festes Programmformat veraltet Ursprung im Lochkartenformat Freies Programmformat Alle neueren FORTRAN Versionen Standardzeichensatz: Großbuchstaben und _, Ziffern, Sonderzeichen Kleinbuchstaben äquivalent zu Großbuchstaben (Vorsicht an externen Schnittstellen: foo = FOO) Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 4

5 Festes Format Spalte 1: Kommentarzeichen ( C, *,! ) 1-5 Marke als Sprungziel (nat. Zahl) beliebige Position, führende 0 ignoriert 6 beliebiges Zeichen kennzeichnet Fortsetzungszeile, sonst leer 7-72 Programm Kommentar (fortlauf. Numerierung) Keine Unterscheidung Bezeichnern und Wortsymbolen Leerzeichen in Wortsymbolen erlaubt Wortsymbole in Ausdrücken in der Form.gt. d.h. mit Punkt eingegrenzt Fortran 77: max. 8 Zeichen für Bezeichner Beachte: Alle Anweisungen in Fortran beginnen mit Wortsymbol außer Zuweisung und Definition Anweisungsfunktion (statement function) Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 5

6 Beispiel PROGRAM SUMME C Dies ist ein Fortran 77 Programm COMMON /CB/ M CALL TOTAL WRITE (6,9) M 9 FORMAT (I10) END SUBROUTINE TOTAL! dies ist ein Zeilenendkommentar COMMON /CB/ ITOTAL ITOTAL = 0 DO 8 I = 1, 100 ITOTAL = 1ITOTAL + I 8 CONTINUE END 2 Übersetzungseinheiten Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 6

7 Beispiel Fortran 90/95 PROGRAM SUMME C In Fortran 90/95 geht das auch so: INTEGER ITOTAL CALL TOTAL(100) PRINT *, ITOTAL CONTAINS SUBROUTINE TOTAL(N) ITOTAL = 0 DO I = 1, N ITOTAL = ITOTAL + I END DO END SUBROUTINE TOTAL END PROGRAM SUMME 1 Übersetzungseinheit Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 7

8 Beispiel Fortran 90/95 mit Modul MODULE SUMMIEREN CONTAINS FUNCTION TOTAL(N) INTEGER TOTAL, N, I TOTAL = 0 DO I = 1, N TOTAL = TOTAL + I END DO END FUNCTION TOTAL END MODULE SUMMIEREN PROGRAM SUMME C In Fortran 90/95 geht das auch so: USE SUMMIEREN PRINT *, TOTAL (100) END PROGRAM SUMME 2 Übersetzungseinheiten Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 8

9 Freies Format Zeilen bis 132 Zeichen, Spaltenposition bedeutungslos Strichpunkt trennt mehrere Anweisungen auf gleicher Zeile Fortsetzungszeichen: & am Zeilenende Leerzeichen in Wortsymbolen verboten max. 31 Zeichen für Bezeichner Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 9

10 Klassifikation Unterscheide Ausführbare Anweisungen ASSIGN, DO, PRINT, IF, END IF,... Nichtausführbare Anweisungen: Spezifikationsanweisungen FORMAT, COMMON, DATA,... Typvereinbarungen (in Wahrheit Variablenvereinbarungen) INTEGER, COMPLEX,... Strukturierungsanweisungen FUNCTION, SUBROUTINE, MODULE,... Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 10

11 Türme von Hanoi program hanoi write (6,*) 'Wert fuer N an: '; read (5,*) n call hanoi0 (n,'a','b','c') contains subroutine move (von,nach)... end subroutine move recursive subroutine hanoi0 (n,von,nach,ueber) integer :: n character :: von, nach, ueber if (n.eq. 1) then call move (von, nach) else if (n.gt. 1) then call hanoi0 (n-1, von, ueber, nach) call move (von, nach) call hanoi0 (n-1, ueber, nach, von) end if end subroutine hanoi0 end program hanoi Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 11

12 Programmaufbau Hauptprogramm, ausführbar: PROGRAM name... CONTAINS... END PROGRAM name Externes Unterprogramm, ausführbar: SUBROUTINE name... CONTAINS... END SUBROUTINE name FUNCTION name... CONTAINS... END FUNCTION name Modul, nicht ausführbar: MODULE name... CONTAINS... END MODULE name Block-Data, nicht ausführbar: BLOCK DATA name... END BLOCK DATA name Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 12

13 Vordefinierte Datentypen INTEGER: Ausschnitt der ganzen Zahlen, parametrisiert mit KIND Attribut REAL: Annäherung an reelle Zahlen mit KIND COMPLEX: KIND wie REAL LOGICAL: Boolesche Werte, KIND für Anzahl Bytes CHARACTER: KIND für Zeichendarstellung, LEN für Anzahl Bytes KIND: Parametrisierung kennzeichnet Genauigkeit/Werteumfang, z.b. INTEGER (KIND = HIGH) zufall INTEGER (KIND = SHORT) wochentag COMPLEX (KIND = HIGH) z HIGH, SHORT,... benannte ganzzahlige Konstante Fortran 77: Neben Typ REAL noch DOUBLE PRECISION Vereinbarungen in der Form INTEGER i,j! alt INTEGER (Zusätze) i,j! alt, z.b. Zusatz SAVE: Wert erhalten INTEGER :: i,j! neu INTEGER, Zusätze :: i,j! neu implizite Vereinbarung: Bezeichner beginnend mit I,J,K,L,M,N ganzzahlig, sonst real Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 13

14 Weitere Datentypen Reihungen statische offene Verbunde Zeiger und Ziele von Zeigern Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 14

15 Statische Reihungen Reihungen spaltenweise gespeichert! (column major order) reihung ::= typ [par][, attribute] [, DIMENSION ( indexgrenzen )]:: name [( indexgrenzen )][=ausdruck] indexgrenzen ::= [untergrenze : ] obergrenze untergrenze und obergrenze konstant Indexgrenzen gehören zum Typ INTEGER A(100)! Untergrenze 1 REAL, DIMENSION(0:100,0:100) :: x mit Initialisierung durch DATA Anweisung: REAL :: x (100,100)= RESHAPE((/ ((1.0,K=1,J-1),& (0.0,K=J,100), J=1,100) /), SHAPE = (/ 100, 100 /) ) REAL :: y (100,100) DATA ((y (K,J), K=1,J-1), J= 1,100) / 4050*1.0 / DATA ((y (K,J), K=J,100), J= 1,100) / 5050*0.0 / Reihungszugriff: a(i,j)! kein Unterschied zu Funktionsaufruf a(i,:)! i-te Zeile a(i,10:1:-1)! Elemente a i,10, a i,9,...,a i,1 Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 15

16 Equivalence Anweisung Ziel: Überlagerung mehrerer Variablen, meistens Reihungen, im Speicher Methode: Angabe von Gruppen von Variablen, insbesondere Reihungselementen, die den gleichen Speicherplatz einnehmen sollen; der Rest der Reihungen wird dann entsprechend überlagert. Vorsicht! Widersprüche werden beanstandet! REAL A(10,10), B(100) EQUIVALENCE (A,B) REAL A(100) COMPLEX Z(50) EQUIVALENCE (A,Z) REAL A(100) REAL X,Y,Z(98) EQUIVALENCE (Y,A(1)),(X,A(100)),Z(50),A(51)) Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 16

17 Offene Reihungen Ziel wie in Pascal: Vereinbarung von Parametern oder Variablen, deren Umfang bei Aufruf oder durch explizite Allokation festgelegt wird Anzahl der Indexgrenzen, repräsentiert durch Doppelpunkt mit/ohne Grenzen, gehört zum Typ SUBROUTINE f (reihung, n, m) INTEGER n, m REAL, DIMENSION(0:n,0:m) :: reihung REAL A(:,:) INTEGER, DIMENSION (:,:) :: K CHARACTER, ALLOCATABLE :: C (:,:) ALLOCATE (C(100,100)) REAL A(2:4,*)! Werte werden so verteilt, daß 3 Zeilen entstehen Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 17

18 Verbunde Typdeklaration: typdef ::= TYPE [[,zugriffsrecht] ::] name [ PRIVATE ][ SEQUENCE ] komp* END TYPE [name] komp ::= typ [par][[,attribute] ::] namesliste Variablendeklaration vardekl ::= typ [par][[,attribute] ::] namesliste Komponentenzugriff: zugriff ::= verbundname % komponentenname Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 18

19 Zeiger und ihre Ziele zeiger ::= typ [par][,attribute], POINTER :: name [(:[,:]*)] ziel ::= typ [par][,attribute], TARGET :: name [( indexgrenzen )][=ausdruck] Rekursive Datenstrukturen TYPE liste INTEGER wert TYPE (liste), POINTER :: next END TYPE liste TYPE (liste), TARGET :: anker TYPE (liste), POINTER :: temp, hinten hinten = anker ALLOCATE(temp) hinten%next = temp Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 19

20 Ausdrücke Numerische Datentypen: Addition, Subtraktion, Division, Exponentiation, Negation, Identität, weitere mathematische Funktionen, Vergleiche Vektoren und Matrizen: elementweise Operationen, Skalarprodukt, Transposition, Matrixmultiplikation, Maximum, Minimum, Summe, Produkt Logischer Datentyp: Negation, Konjunktion, Disjunktion, Äquivalenz, Antivalenz. Matrizen: ALL und ANY. Zeichen: Verkettung zu Feldern. Selbstdefinierte Operationen möglich. Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 20

21 Prioritäten 1 selbstdefiniert einstellig 2-4 Numerische Operationen, 5 Verkettung, 6 Vergleichsoperatoren, 7-10 Logische Operatoren, 11 selbstdefinierte zweistellig Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 21

22 Ablaufsteuerung Sprünge Bedingte Anweisungen und Sprünge Schleifen Prozeduren und Funktionen Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 22

23 Sprünge goto ::= GOTO label berechnetes goto ::= GOTO ( label1, label2, label3...) skalarer numerischer ausdruck Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 23

24 Bedingte Anweisungen und Fallunterscheidungen arithmetisches if ::= IF ( skalarer ausdruck ) label 1, label 2, label 3 inzwischen veraltet logisches if ::= IF ( logischer ausdruck ) anweisung* block if ::= IF ( logischer ausdruck ) THEN... [ELSE IF...]*[ELSE...] END IF Fallunterscheidung case ::= SELECT CASE ( ausdruck ) [CASE ( ausdruck )... ]* [CASE DEFAULT... ] END SELECT Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 24

25 Schleifen schleife ::= [name:] DO schleifensteuerung... END DO [name] alt: schleife ::= [name:] DO label schleifensteuerung... label ende anweisung ende anweisung ::= continue beliebig schleifensteuerung ::= leer for while for ::= i = anfang, ende [,increment] [,] while while ::= WHILE ( logischer ausdruck ) exit ::= EXIT [name] cycle ::= CYCLE [name] Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 25

26 Zuweisungen, forall-schleifen Normale Zuweisung: Variable = Ausdruck Zeigerzuweisung: Zeiger => Zielobjekt maskierte Reihungszuweisung: real A(10,10) where (A /= 0.0) A_NEU = 1.0/A elsewhere A_NEU = 1.0 END WHERE forall-schleife: forall (I = 1:N, J = 1:M) A(I,J) = I+J zusätzlich kann ein logischer Ausdruck einzelne Zweige ausblenden Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 26

27 Prozeduren und Funktionen Externe und Interne Prozeduren [RECURSIVE] FUNCTION name... END FUNCTION name Ergebnis an Funktionsname zuweisen, dieses als Variable vereinbaren [RECURSIVE] SUBROUTINE name... END SUBROUTINE name ENTRY name... END SUBROUTINE name weiterer Eingang in Unterprogramm Reine Prozeduren (PURE procedures): Prozeduren ohne Nebenwirkung (für FORALL) Aufruf von Unterprogrammen: CALL subroutinename(...) Parameterübergabe: Referenzaufruf oder Wert/Ergebnisaufruf, oder INTEND(IN) INTEND(OUT) INTEND(INOUT) Parameter können optional sein generische Prozedur: überladene Prozedur, zur Auflösung Argumentliste benutzen Block Data: Unterprogramm zur (statischen) initialisierung von COMMON Zonen Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 27

28 Ein-/Ausgabe E/A durch die Anweisungen READ, PRINT, WRITE, OPEN, CLOSE, INQUIRE, BACKSPACE, ENDFILE, REWIND (keine Prozeduraufrufe!) Dateien intern gekennzeichnet durch ganze Zahlen (unit number) Standard-Eingabe: 5, Standardausgabe: 6, (Standards, wenn nichts angegeben) unterscheide externe (echte) und interne Dateien (lokal im Programm) Zugriffsmethoden: sequentiell, direkt formatierte Text-E/A: READ (UNIT=5,FMT=FMT) EA-Liste oder kürzer READ FMT EA-Liste, analog für WRITE (PRINT erlaubt nur die Kurzform) EA-Liste enthält Variable/Ausdruck oder Schleifen (EA-Liste, i=anfang,ende) auch Ausgabe von ganzen Reihungen und Verbunden erlaubt Format FMT: * (implizite Formatierung), Textkonstante/Marke einer Formatanw. 'A6', 'E10.3', 'F10.3', 'I3', 'G10.3', '5I3', '3(I3,2F10.3)' formatiert Texte, reelle Zahlen mit/ohne Exponent, ganze Zahlen, beliebiges,... Formatkontrolle wiederholt anwenden, wenn nicht ausreichend viele Spez. erstes Zeichen bei Ausgabeformat: Druckersteuerung: Zwi: neue Zeile, 0: mit Leerzeile, 1: neue Seite, +: kein Zeilenvorschub Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 28

29 Module in Fortran 77 Benannte Common Bereiche Partitionierung bezüglich der verwendeten globalen Daten ist Modularisierung Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 29

30 Module in Fortran 90 MODULE name [ use ] [ deklarationen ] [ typdefinitionen ] [ schnittstellen ] [ [ CONTAINS [ module-unterprogramme ] ] END MODULE Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 30

31 Schnittstellen provide ::= INTERFACE [ OPERATOR ] name MODULE PROCEDURE prozedurname... END INTERFACE require ::= INTERFACE prozedurkopf... END INTERFACE Prof. Dr. Gerhard Goos, Dr. Sabine Glesner Höhere ProgrammiersprachenWS 2002/03 (5. Foliensatz) 31