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）,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)。,例 3-1 牛顿法解方程PROGRAM N
2、ewtonIMPLICIT NONEINTEGER : 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DO WHILE (.NOT. Converged .AND. ItsMaxIts)X = XF(X)/DF(X)PRINT*,X,F(X)Its = Its +1Converged = ABS(F(X)=EpsEND DOIF (Converged) THENPRINT*, Newton convergedEL
3、SEPRINT*, Newton divergedEND IF,CONTAINSFUNCTION F(X)REAL F, XF = X * 3 + X 3END FUNCTION FFUNCTION DF(X)REAL DF, XDF = 3 * X * 2 + 1END FUNCTION DFEND PROGRAM Newton,内部函数位于主程序的 CONTAINS 关键字和END 语句之间, 构造形式如下:FUNCTION 函数名( 参数列表 ) 声明语句 执行语句 END FUNCTION 函数名 其中， 为可选部分。IMPLICIT NONE，强制类型声明，其作用域为整个程序单元，所
4、以无需在内部函数中再重写此语句。 尽管可以在程序单元头部声明内部函数的函数名，参数及其有关变量，但从数据安全性考虑，还是应该在内部函数中予以声明。 若在内部函数中声明了和全局变量同名的局部变量，全局变量被屏蔽，内部函数引用的是局部变量，这种现象称为同名覆盖。,2. 全局变量和局部变量 例3-2 内部函数采用全局变量PROGRAM FactorialIMPLICIT NONEINTEGER IDO I =1, 10PRINT*, I, Fact(I)END DOCONTAINSFUNCTION Fact(N)INTEGER Fact, N, TempTemp = 1DO I = 2, NTemp
5、 = I * TempEND DOFact = TempEND FUNCTION FactEND PROGRAM Factorial,这是一个求N的阶乘的实例，程序输出结果：1 13 65 1207 50409 36288011 3991680013 193205350415 200431001617 -28852224019 109641728,上述程序的执行过程是： I 是一个全局变量，当内部函数 Fact 第一次被引用时，I 1，该值当传递给虚参 N，相同的 I 在函数循环体中被赋初值2，此时 2N，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
6、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：INTEGER I 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。,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：FUNCTION F(X) RESULT(R)REAL R，XR = X*3+X-3END FUNCTION F 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
7、，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 。,4. 语句函数 Fortran 90 也支持Fortran 77 提供的语句函数，不推荐。例3-3 语句函数的使用PROGRAM Statement_FunctionIMPLICIT NONEREAL f，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
8、)END DOEND PROGRAM Statement_Function,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。,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
9、）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。,例3-4 内部子程序用来实现2个数据的返回（交换）PROGRAM ExchangeIMPLICIT NONEREAL : A =1, B=5CALL Swop(A, B)PRINT*, A, BCONTAINSSUBROUTINE Swop(X,Y)REAL Temp, X, YTemp = XX = YY = TempEND SUBROUTINEEND PROGRAM,程序说明： Fortr
10、an 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Fortran 90 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 END SUBROUTINE 子程序名 ,主程序构造形式： PROGRAM 程序名 声明语句 执行语句CONTAINS 内部例程END PROGRAM 程序名 注意事项： （1）一个完整的程序有且只有一个主程
11、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,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END SUBROUTINE 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END FUNCTION 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
12、，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,例 3-5 采用外部例程实现 Swop（交换）PROGRAM ExchangeIMPLICIT NONEEXTERNAL Swop !声明例程Swop 为外部的REAL : A =1, B=5CALL Swop(A, B)PRINT*, A, BEND PROGRAM ExchangeSUBROUTINE Swop(X, Y)REAL Temp, X, YT
13、emp = XX = YY = TempEND SUBROUTINE Swop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。,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）。Fortran 90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END INTERFACE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
14、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,例3-6 在主程序中添加接口块，实现Swop外部例程 PROGRAM ExchangeIMPLICIT NONEINTERFACESUBROUTINE Swop(X,Y)REAL Temp,X,YEND SUBROUTINE SwopEND INTERFACEREAL : A =1, B=5CALL Swop(A,B)PRINT*, A , BEND PROGRAM Exchange 在程序中不需要用EXTERNAL 语句声明外部例程。,必须使用接口块的情况： （1）外部例程具有可选参数； （2）例
15、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Fortran 90中具有十分重要的作用。,1 构造形式 Fortran 90 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 END MODULE 模块名 ,第五节 模块,例3-7 模块使用MODULE MyUtilsREAL, PARAME
16、TER : PI =3.1415927CONTAINSSUBROUTINE Swop(X, Y)REAL Temp , X , YTemp = XX = YY = TempEND SUBROUTINE SwopEND MODULE MyUtils！模块和主程序在同一文件中，模块在主程序之前PROGRAM MainUSE MyUtils !位于IMPLICIT NONE、声明语句之前IMPLICIT NONEREAL : A = PI, B = PI*2CALL Swop(A, B)PRINT*, A , BEND PROGRAM Main,其中：例程 Swop被转换为模块例程，主程序通过引用（
17、USE）模块，使用 其中的模块例程及数据。,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,Main program,Int-subs,Ext-sub,Int-subs,Module,Fortran 90 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；
18、 主程序、模块、外部例程之间的关系如下图所示：,Program A1,Use module A,Module A,Contains,Module subroutineof funotion,Subroutine B,External subroutine,Call B,Contains,End Program A1,Internal subroutine of funotion,主程序、模块、外部例程之间的关系,2 USE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 =
19、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： USE YourMod, 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：USE YourMod，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 IMPLICIT NONE 之前，模块的先后次序无关紧要。,3 PUBLIC 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
20、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。PRIVATE X，Swop 同时规定变量 X，例程Swop 为私有的。PRIVATEPUBLIC Swop 不带实体列表，除Swop外，其余的模块实体都是私有的。,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
21、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。,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： CALL Sub（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
22、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，Fortran 90提供了INTENT 属性，例如：SUBROUTINE SUB （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END SUBROUTINE SUB,2 参数类型匹配PROGRAM MainIMPLICIT NONEEXTE
23、RNAL SubINTEGER : X=1 ！对应实参X声明为整型CALL Sub(X)PRINT* ，X=，XEND PROGRAMSUBROUTINE Sub（A）IMPLICIT NONEREAL，INTENT（INOUT）: A ！虚参A声明实型，对应实参为XA=A+1 END SUBROUTINE例3-8中，参数类型不匹配，出错！,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
24、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：INTERFACESUBROUTINE Sub( DumU,DumV,DumW,DumX,DumY,DumZ )REAL DumU,DumV,DumW,DumX,DumY,DumZ OPTIONAL DumW,DumX,DumY,DumZ END SUBROUTINEEND INTERFACE,调用语句 CALL Sub（A，B） ！1CALL Sub（A，B，C，D） ！2CALL Sub（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
25、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：CALL Sub（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。,例3-9 可选参数的使用MODULE ModIMPLICIT NONECONTAINSREAL FUNCTION
26、 Func(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REAL RA, 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 + RCEND FUNCTION
27、END MODULEPROGRAM MainUSE ModIMPLICIT NONEPRINT*, 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 = 10END PROGRAM,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3-10MODULE ModIMPLICIT NO
28、NE INTERFACE Swop !Swop 是调用时使用的例程名MODULE PROCEDURE SwopReal, SwopIntegersEND INTERFACE,第七节 例程重载,！实型数据交换CONTAINSSUBROUTINE SwopReals(X,Y)REAL, INTENT(INOUT) : X,YREAL TempTemp = XX = YY = TempEND SUBROUTINE ！整型数据交换 SUBROUTINE SwopIntegers(X,Y)INTEGER, INTENT(INOUT) : X, YINTEGER, TempTemp = XX = YY =
29、 TempEND SUBROUTINEEND MODULE ！主程序PROGRAM MainUSE ModIMPLICIT NONEREAL : A=1.0, B=2.0INTEGER : I=1,J=2CALL Swop(A, B)CALL Swop(I, J)PRINT*,A=,A,B=,BPRINT*,I=,I,J=,JEND PROGRAM,建立重载例程接口块，以调用的例程名命名接口块： INTERFACE SwopMODULE PROCEDURE SwopReals，SwopIntegersEND INTERFACE体的例程作为外部例程，调用程序过程中建立的接口块为：INTERFAC
30、E Swop ！相比一般的例程接口块，多了接口名SwopSUBROUTINE SwopReals（X，Y）REAL，INTENT（INOUT） : X，YEND SUBROUTINESUBROUTINE SwopIntegers（X，Y）INTEGER，INTENT（INOUT） : X，YEND SUBROUTINEEND INTERFACE,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！Fortran 90 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
31、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,例3-11 递归函数求n!PROGRAM MainIMPLICIT NONEINTEGER IDO I=1, 10PRINT*,I,!=, Factorial(I)END DOCONTAINSRECURSIVE FUNCTION Factorial(N) RESULT(Fact)INTEGER Fact, NIF(N = 1)THENFact = 1ELSEFact = N * Factorial( N-1 )！引用的是函数名Factorial！赋值采用的是FactEND IFEND FUC
32、TIONEND PROGRAM,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。,PROGRAM MainIMPLICIT NONEINTEGER F, IDO
33、 I = 1, 10CALL Factorial( F, I )PRINT*,I,!,FEND DOCONTAINSRECURSIVE SUBROUTINE Factorial( F, N )INTEGER F, NIF (N = 1) THENF = 1ELSECALL Factorial( F,N-1)F = N * F ！该递归子程序的关键，将赋值语句 F = N * F 置于递归调用语句之后END IFEND SUBROUTINEEND PROGRAM,小 结 （1）模块化程序的设计思想：将大的程序分解为若干个功能单一的例程。例程可以是包含在程序单元中的内部例程，也可是作为独立程序单元
34、使用的外部例程。Fortran90程序单元包括主程序、外部例程和模块。其中，主程序和外部例程包含的内部例程不能再包含内部例程，而模块中的模块例程允许包含其内部例程，即例程嵌套。 （2）若外部接口信息较简单，可以通过EXTERNAL关键字将例程声明为外部的，以防止调用程序使用和外部例程同名的标准例程；若外部接口信息复杂或某些特殊情况下，必须建立接口块，使编译器可以产生正确的调用。编译器自动为标准例程、内部例程和模块例程提供显式接口。 （3）模块通常含有全局变量和通用例程，专供其他程序单元使用。在通过USE语句引用模块时，可只使用其中的部分实体，还可为模块实体重命名。模块中实体的缺省访问属性为PU
35、BLIC，PRIVATE属性则将实体访问属性限定在模块内。,（4）实参和虚参间的数据传递必须类型匹配。实参变量以引用方式传递，常量和表达式则以值方式传递，编程中应通过INTENT属性明确规定参数的传递方式。Fortran 90 允许声明可选参数，允许以关键字形式使用可选参数。 具有可选参数的外部例程，使用时需在调用程序中建立其接口块。 （5）重载例程通过有名接口块来规定，重载的具体例程可以是模块例程，也可以是 外部例程，但要求规定不同的接口体。 （6） Fortran 90支持递归，允许例程直接或间接调用自身。但前提是声明例程时要添加RECURSIVE 关键字，在函数例程情况下，还要添加RESULT子句。,
