CPC782
Fundamentos de Programação
Introdução ao Fortran
Renato N. Elias / Marcos A. D. Martins
Antes de começarmos...
 Devemos saber responder algumas questões BASTANTE
básicas:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
O que é um programa de computador?
Por que eu preciso aprender a programar?
O que é um arquivo ou código fonte?
O que é um objeto ou arquivo compilado?
O que é uma linguagem de programação?
O que é lógica de programação?
O que é um pré-processador?
O que é um compilador?
O que é um linker?
O que é uma biblioteca?
Como aprender uma linguagem de programação?
slide de (des)motivação para aprendizado de qualquer linguagem de programação
1.
Precise dela!!!!! “Se eu não preciso, por que tenho de aprendê-la?”
2.
Tenha prazer em programar como quem está para decifrar um enigma. “Como
eu faço esse computador fazer o que eu quero?”
3.
Pegue um programa simples, contendo bons comentários passo-a-passo e
tente utilizar os fragmentos que se assemelham com o que se deseja fazer
como um modelo. “Guarde esse programa-modelo em um cofre a sete chaves até
se sentir seguro o suficiente para programar sozinho”
4.
Comece a programar com a ajuda de um bom ambiente de programação. “mas
nunca se torne escravo dele”
5.
Não desanime, seja persistente! “Errar é a melhor parte do processo de
aprendizado pois os erros, geralmente, são mais facilmente assimilados do que os
acertos”
6.
Não tenha medo de tentar! “O (bom) compilador adora nos humilhar mostrando
nossos deslizes, além disso, um simples programa não irá fazer o computador
explodir -- mas talvez ele precise ser reiniciado...”
A good programmer is someone who looks both ways before crossing a one-way street.
-- Doug Linder, systems administrator
Desenvolvendo programas
 Planejar;
– Lógica de programação
 Desenvolver;
– Linguagem (C/C++, Fortran, Java, etc...)
– Ambiente de programação (Vi, Notepad, Visual Studio, KDE developer, etc...)
 Pré-processar, compilar e “linkeditar”
– Compiladores (Intel, G95, PGF90, Compaq, etc...)
 Testar (depuração);
– Ambiente de programação
 Corrigir (depuração);
– Ambiente de programação
Commentary: most debugging problems are fixed easily;
identifying the location of the problem is hard. -- unknown
Construindo um programa
Pré-processamento
“linkedição” ou “linkagem”
Compilação
fonte
pré-processado
compilado
arq1.f90
arq1.i
arq1.obj
fonte
pré-processado
compilado
programa
arq2.f90
arq2.i
arq2.obj
foo.exe
fonte
pré-processado
compilado
arq3.f90
arq3.i
arq3.obj
O que eu preciso para programar em Fortran?
 Um editor de textos, um compilador ou um ambiente de
programação que forneça o editor de textos e o compilador
juntos
 Em Windows:
– Compaq Visual Studio (comercial)
– Visual Studio + Intel Fortran (comercial)
– Fortran Force (gratuito: http://www.guilherme.tk/)
 Em Unix e similares:
–
–
–
–
G77 (gratuito – não recomendado);
Sun Studio (gratuito);
Intel Fortran (gratuito para uso não comercial)
Compilador do Portland Group (comercial)
Referências
 Google, Google, Google
– 34.300.000 referências para a palavra Fortran
 Fortran Wikipedia:
– http://pt.wikipedia.org/wiki/Fortran
 Fortran Standards Technical Commitee
– http://www.j3-fortran.org/
 Livros:
– Stephen J. Chapman, “Fortran 90/95 for Scientists and Engineers”
– James F. Kerrogan, “Migrating to Fortran 90”
 Apostila:
– http://www.nacad.ufrj.br/~rnelias/fortran
Fortran – Um pouco de história
 Criada em 1954-57 por uma equipe da IBM chefiada por John Backus;
 Nome da linguagem derivado de seu principal propósito FORmula
TRANslator
 Primeira linguagem de programação de alto nível desenvolvida para
computadores;
 Com sua rápida popularização surgiu a necessidade de uma
padronização em 1966 (Fortran IV ou Fortran66)
 Sofreu algumas modificações em 1977 (Fortran77)
 Outras atualizações:
–
–
–
–
Fortran90 (1993);
Fortran95 (1997);
Fortran2003;
HPC (High Performance Fortran)
Motivos para NÃO APRENDER Fortran
 Programação de interface gráfica (GUI);
 Programação de bancos de dados;
 Programação voltada para internet;
 Programação que utilize manipulação intensiva de strings;
 Programação dirigida a objetos (OOP).
Motivos para APRENDER Fortran
 Fácil de aprender, desenvolver e depurar;
 Extremamente eficiente na execução de CÁLCULOS;
 Milhares de bibliotecas científicas testadas, otimizadas e
distribuídas gratuitamente para uso com o Fortran;
Deficiências anteriores ao Fortran 90
 Exigência de uso de formato fixo para codificação;
 Impossibilidade de acesso dinâmico de dados;
 Inabilidade de representação implícita de operações em arrays
 Falta de portabilidade (padrão definido pelo fabricante)
 Impossibilidade de definição de tipos pelo programador;
 Inexistência de recursividade;
 Acesso aos dados globais através de COMMON blocks
Recursos adicionados ao Fortran90
 Formato livre de arquivos;
 Sintaxe própria para operações com arrays
 Alocação dinâmica e inclusão de pointers
 Tipos de dados portáveis (KIND)
 Tipos de dados derivados e operadores
 Recursividade
 Modules em substituição e extensão aos COMMON BLOCKS
 Estruturas de controle mais aprimoradas
 I/O aprimorado
O que iremos aprender?
Fortran IV
Fortran 90
FORTRAN
Fortran 77
Fortran 95
Fortran 2003
Elementos da linguagem
 O Fortran não é sensível à letras maiúsculas e minúsculas:
Casa = casa = CASA = cASA = cAsA = CaSa
 Formatos de arquivos aceitos pelo Fortran
–
–
Fixo (extensões *.for, *.f77, *.f, *.F)
Livre (extensões *.f90, *.F90)
 Caracteres de comentário
–
–
Linhas contendo os caracteres “c” ou “C” na coluna 1
Qualquer texto iniciado pelo caractere “!”
 Rótulos (labels)
–
Números de (1 a 99999) colocados nas 5 primeiras colunas
 Continuação de linha
–
–
Formato fixo: linha que possui qualquer caractere na coluna 6
Formato livre: Qualquer linha finalizada com um ampersand (&)
 Vários comandos em uma mesma linha
–
Separar os comandos com um ponto e vírgula “;”
Formatos de arquivos
FIXO
LIVRE
Comentários e continuação de linha
Formato fixo (arquivo hello.f)
Formato livre (arquivo hello.f90)
Outras perguntas básicas...
 O que é uma variável?
a = 1.0
i = 1
str = ‘Fortran’
 O que é um tipo?
– O tipo de uma variável informa ao compilador, e consequentemente ao
programa, como o computador deverá interpretar a variável.
– No exemplo acima a, i e str ocupam quantidades distintas de
memória devido aos seus TIPOS serem também diferentes.
Evitando dores de cabeça
 Faça comentários significativos nos seus programas:
– Comentário inútil
i=0 ! i recebe valor 0
– Comentário útil
i=0 ! i está sendo zerado pois será utilizado como
! contador do próximo loop
 Crie nomes de variáveis auto-explicativos
– Variável pouco explicativa:
integer :: n
– Variável auto-explicativa:
integer :: NumberOfNodes
 Endente seu programa para facilitar a leitura
 Tente usar somente funções intrínsecas da linguagem
– Compatibilidade = portabilidade = flexibilidade
– Se for usar bibliotecas, procure se informar se essa biblioteca estará disponível
nos sistemas que pretende usar
Estrutura básica de um programa Fortran
program <nome_do_programa>
! declaracao de modules
use dados
! declaracao de variaveis
integer :: n, k, l
! corpo do programa
n = 1
k = 2
l = n+k
print *, l
! finalizacao do programa
end program
Tipos de dados
 Inteiro
integer :: n = 1
 Real de precisão simples
real*4 :: a = 3.0 ! 7 casas de precisão
real(4) :: a = 3.0E1
real
:: a = 3.
 Real de precisão dupla
double precision :: a = 2.5d0 ! 15 casas de precisão
real*8
:: a = 2.5D0
real(8)
:: a = 2.5D0
 Lógico
logical :: ok = .false.
Tipos de dados (continuação)
 Complexo de precisão simples
complex*8 :: c = (1.,4.)
complex
:: c = (1.3,4.1E1)
 Complexo de precisão dupla
complex*16 :: c = (1.d0,4.d0)
 Character
character
:: str*80
character(80) :: str
character*80 :: str
character*80 str
Tipos de dados derivados
 Permite a criação de tipos de acordo com a necessidade do
programador
Type employee_name
SEQUENCE ! (Opcional) preserva a ordem de armazenamento dos
campos
character(25) last_name
character(15) first_name
END TYPE employee_name
Type employee_data
TYPE (employee_name) :: name ! Usando o tipo previamente
criado
integer telefone
integer age
logical married
END TYPE
Usando um tipo derivado
Type(employee_data) :: employee
employee%name%last_name
employee%name%first_name
employee%telefone
employee%age
employee%married
=
=
=
=
=
'Elias'
'Renato'
25628080
30
.true.
! Ver programa exemplo typeder.f90
Declaração implícita
 Antagonicamente NÃO recomendado, porém, bastante útil
 Declaração de tipo implicitamente determinada pela primeira
letra do nome da variável:
i,j,k,l,m,n: variáveis inteiras
a-h, o-z: variáveis reais de precisão simples
 Modificando a declaração implícita
implicit real*8 (a-h,o-z)
implicit integer (i-k)
 Obrigando que todas as variáveis sejam explicitamente
declaradas
implicit none
Na prática...
program foo
implicit real*8 (a-h,o-z)
a = 2.d0
b = 3.d0
c = a+b
print *, c
end program
program foo
implicit none
real*8 :: a,b,c
a = 2.d0; b = 3.d0; c = a+b
print *, c
end program
program foo
implicit none
a = 2.d0
b = 3.d0
c = a+b
print *, c
end program
ERRADO!!!!
produzirá erro de compilação
Operadores
Operadores Aritméticos
símbolo
+
/
*
**
=
//
operação
exemplo
a + b
x - y
alfa/beta
beta*gamma
a**b
-delta
a = 1.0
‘abc’//’def’
soma
subtração
divisão
multiplicação
potenciação
menos unário
atribuição
Contatenação de strings
Operadores Relacionais
símbolo (F77)
.EQ.
.NE.
.GT.
.GE.
.LT.
.LE.
símbolo (F90)
==
/=
>
>=
<
<=
descrição
Igual
Diferente
Maior
Maior ou igual
Menor
Menor ou igual
Operadores Lógicos
Operador
Exemplo
Descrição
.AND.
A.and.B
verdadeiro se A E B são verdadeiros
.OR.
A.or.B
verdadeiro se ou A ou B forem verdadeiros
.NOT.
.not.A
falso se A for verdadeiro e verdadeiro se A for falso
.EQV.
A.eqv.B
verdadeiro se A e B forem ambos verdadeiros ou falsos
A.neqv.B
verdadeiro se A ou B for verdadeiro e falso se ambos forem verdadeiros
.NEQV.
Exemplo:
considere aa=.true.
= .true.ee bb=.false.
= .false.para
paraavaliar
avaliaras
asseguintes
seguintesoperações
operaçõeslógicas
lógicas
c = a .and. b ! c = .false.
c = a .or. b
! c = .true.
c = .not. a
! c = .false.
c = a .eqv. b ! c = .false.
c = a .neqv. b ! c = .true.
Hierarquia entre operações
1. Parênteses mais internos
2. Cálculo de funções
3. Potenciação
4. Menos unário
5. Multiplicação e divisão
6. Adição e subtração
7. Concatenação
Exemplo:
x+1/x-1 é diferente de (x+1)/(x-1)
Algumas funções intrínsecas
Função
Exemplo
Descrição
abs(x)
|x|
Valor absoluto de x.
log(x)
ln x
Logaritmo natural de x
log10(x)
log x
Logaritmo de x na base 10
sin(x)
sen x
Seno de X em radianos
cos(x)
cos x
Cosseno de X em radianos
acos(x)
acos x
Arco cosseno de x
exp(x)
ex
Exponencial de x
mod(i1,i2)
Resto da divisão de i1 por i2
 Observação:
– algumas funções intrínsecas possuem versões específicas de acordo
com o tipo de dado utilizado, por exemplo:
dabs(x) ! x e o resultado da operação são real*8
iabs(n) ! n e o resultado da operação são integer
Programa PI
 Programa PI:
– Obter o valor de PI usando a função intrínseca ACOS do Fortran para
obter o Arco-cosseno de -1
program PIValue
real*4 :: pi_sp
real*8 :: pi_dp
pi_sp = acos(-1.)
print *, ‘Pi in single precision is:’, pi_sp
pi_dp = dacos(-1.d0)
print *, ‘Pi in double precision is:’, pi_dp
end program
Inside every well-written large program is a well-written small program. -- Charles Antony
Richard Hoare, computer scientist
Aritmética inteira, real e mista
 Inteira
3/5 = 0
13/4 = 3
 Real
3.0/5.0 = 0.6
3./5. = 0.6
13./4.0 = 3.25
 Conversão automática de tipo:
program conv
integer :: nres
nres = 1.25+9/4
print *, nres
! imprimirá 3 ao invés de 3.5
end program
 ATENÇÃO:
 Mista
3.0/5 = 0.6
13/4.0 = 3.25
–
Notem que embora o resultado da operação
seja real, ele foi armazenado em uma variável
do tipo inteiro ocasionando uma conversão
automática. (EVITEM FAZER ISSO!!!)
Evitando o uso de potenciação
 A potenciação é internamente implementada como uma
operação com logarítmos, portanto, uma operação lenta e
sujeita a erros
result = y**2.0
! internamente seria result = exp(x*ln(2.0))
 Podemos evitar isso utilizando expoentes inteiros sempre que
possível ou realizando a operação explicitamente:
result = y**2
result = y*y
Operações com strings
 Para o Fortran uma string é um array de characters
program string
character(3) :: str1, str2
character(6) :: str3
str1 = ‘ABC’
str2 = ‘DEF’
str3 = str1//str2 ! concatenando str1 com str2
print *, str3
print *, ‘ primeiras 2 letras de str1: ’, str1(:2)
print *. ‘ ultimas 4 letras de str3: ‘, str3(3:6)
end program
Let’s do something...
 Programa DegToRad para converter graus em radianos
– se 180º equivale a pi radianos, então, usando a nossa velha conhecida
regra de 3:
xo = x*pi/180
program DegToRad
real*8 :: ang, PI
PI = dacos(-1.d0)
ang = 45
print *, ang ,‘ graus = ’, ang*PI/180.0, ‘ radianos’
end program
Comandos condicionais
 Os comandos condicionais causam desvios no fluxo natural do
programa de acordo com a avaliação de alguma expressão
lógica
 Em Fortran, os comandos condicionais básicos são:
– IF (lógico)
– IF, THEN, ELSEIF, ENDIF
– CASE
Comandos condicionais
 IF (lógico):
– executa, ou não, uma operação de acordo com a avaliação de uma
expressão lógica (Booleana)
if (a<10.0) a = 0.0
 IF, THEN, ELSE, ELSEIF:
– desvia a execução do programa de acordo com a avaliação de uma, ou
várias, expressão(ões) lógica(s)
nome: if (teste logico) then
! corpo do if
end if nome
! os nomes são opcionais e geralmente utilizados para
! fins de identificacao
IF, THEN, ELSE, ELSEIF (continuação...)
! Exemplo 1
if (b > c) then
a = a+1
c = 0
else
a = a–1
b = 10
endif
! Exemplo 2
idade: if (age>18) then
print *, ‘maior’
else
print *, ‘menor’
endif idade
! Exemplo 3
if (b > c) then
a = a+1
c = 0
elseif (c.eq.a) then
a = a-1
b = 10
else
a = a+2
b = 0
endif
 Repare que o elseif nada mais
é do que um if aninhado numa
cláusula else
Comandos condicionais
 SELECT CASE:
– Este comando pode substituir uma série de if’s aninhados, porém, ele
só pode ser utilizado com variáveis INTEGER e CHARACTER
nome: select case (i)
case(:-1) ! todos os valores inteiros menores que 1
print *, ‘numero negativo’
case(0) ! somente se i for igual a 0
print *, ‘ zero ‘
case(1:9) ! numeros inteiros entre 1 e 9
print *, ‘ numero de 1 unico digito: ‘
case(10:99) ! numeros inteiros entre 10 e 99
print *, ‘ numero de 2 digitos ‘
end select nome
Comandos de repetição
 Os comandos de repetição, laços ou loops são utilizados na
execução de um ou mais comandos repetidas vezes.
 Em Fortran, os comandos de repetição são:
– DO (simples e infinito)
– WHILE
– Loops implícitos (veremos mais tarde quando tratarmos de variáveis
indexadas)
 Existem comandos auxiliares que controlam a saída forçada de
dentro de um laço, são eles:
exit
cycle [label]:
goto [label]:
return:
Comandos de repetição
 DO:
– Os laços DO em Fortran são a forma mais natural de se realizar uma
ou mais operações repetidas vezes. Nesse tipo de laço uma variável de
controle é utilizada como contador e, consequentemente, como critério
de parada para o laço.
 Forma geral:
nome: DO <variável de controle> = inicio, fim, incr
! corpo do laço
ENDDO nome
 Observações:
– Se o incremento for unitário o mesmo poderá ser omitido
– O incremento poderá ser negativo (decremento)
– A variável de controle não deve ser alterada no interior do laço
DO: O que podemos fazer...
! Exemplo 1:
DO i=1,10
print *, i
ENDDO
! Exemplo 2:
DO n=1,10,3
print *, n
ENDDO
! Exemplo 3:
DO j=10,1,-1
print *, j
END DO
! Exemplo 4:
i0=-5; i1=30; inc=4
DO n=i0,i1,inc
print *, n
ENDDO
! Exemplo 5:
h=0.5
DO x=4.0,7.9,h
print *, x
ENDDO
! Exemplo 6:
externo: DO i=5,10
interno: DO j=10,1,-1
print *, ‘i+j vale:’, i+j
ENDDO interno
ENDDO externo
DO: O que NÃO podemos fazer...
! Exemplo 1:
DO i=1,10
i = i+1
! i não deve ser usado em
! calculos dentro do loop
ENDDO
! Exemplo 2:
DO i=1,10
DO i=10,1
! 2 loops com a mesma
! variável de controle
ENDDO
ENDDO
! Exemplo 3:
DO i=1,10
j = j+1
DO j=10,1
! variavel de controle
! do segundo loop sendo
! usada no primeiro loop
ENDDO
ENDDO
! Exemplo 4
externo: DO i=1,10
interno: DO j=1,10
! laços cruzados
enddo externo
enddo interno
Comandos de repetição
 DO WHILE:
– O laço DO WHILE executa uma ou mais operações “ENQUANTO” uma
condição esteja sendo satisfeita (avaliada como verdadeira).
 Forma geral:
nome: DO WHILE <teste lógico>
! corpo do laço
END DO nome
 Observações:
– Ao contrário do que ocorre com o laço DO, no DO WHILE a variável de
controle utilizada no teste lógico, pode (e geralmente é) utilizada em
alguma operação no corpo do laço
DO WHILE em exemplos:
! Exemplo 1
i=0
DO WHILE (i<=10)
print *, i
i = i + 1
END DO
! Exemplo 2
logical :: Ok = .false.
i=1; j=50
DO WHILE (.not.Ok)
i=i+1
j=j-2
Ok = i>j
print *, Ok, i, j
ENDDO
Comandos de repetição
 DO infinito:
– O Fortran 90 introduziu o conceito de DO infinito, ou eterno. Nesse tipo
de laço uma ou mais operações são repetidas indefinidamente (o que
faz pouco sentido em programação) ou até que algum comando force a
saída de dentro do laço
 Forma geral:
DO
! corpo do loop
if <satisfeita uma condição> exit
ENDDO
DO infinito em 1 exemplo
program CelsiusToKelvin
real*4 :: celsius
character :: opt*1
DO
print *, 'Entre com a temperatura em Celsius:'
read(*,*) celsius ! falaremos do comando READ mais tarde
print *, celsius, ' Celsius = ', celsius+273.15, ' Kelvin'
print *, 'Deseja sair (S/N)'
read(*,*) opt
if (opt.eq.'s'.or.opt.eq.'S') exit
ENDDO
end program
Complicando o que deveria ser simples...
program DOCycle
cycle_loop: do i = 1, 5
print *,i
if (i.gt.3) cycle cycle_loop
print *,i
end do cycle_loop
print *,'done!'
end program
! Quando i torna-se maior que 3 o loop só é
! executado até o cycle