Fortran 2003：完美还是虚幻？

william

Fortran 2003：完美还是虚幻？
本文发表于2004年10月《程序员》王咏刚
“Fortran 2003！面向对象的Fortran！自由、开放的Fortran！拥抱Fortran 2003吧！”我手舞足蹈、兴奋异常。
“Fortran 2003？你发什么颠？”地球物理系一位戴着宽边眼镜的博士生拦住了我，鄙夷的目光从厚重的眼镜片里直射过来，“我昨天才用Fortran 77做完了课题。你说的‘面向对象’、‘自由’、‘开放’什么的，都是你们程序员的鬼把戏吧？它们能让我的SCI论文数量翻番吗？能让我提前评上副教吗？”

1. 不断变革的Fortran
2004年5月，Fortran 2003，这个新世纪里诞生的Fortran语言新标准，终于在ISO、IEC的联合工作组JTC1/SC22/WG5以及美国Fortran委员会NCITS/J3的共同努力下，走完了编撰、修订的最后一步。不出意外的话，再过一两年，支持Fortran 2003的开发工具就会充斥Fortran世界；那些仍在坚守Fortran 77阵地的老用户们也会自然而然地把质疑的目光从Fortran 90/95投向更富有革命精神的Fortran 2003。
要了解Fortran 2003，我们有必要先简单回顾一下Fortran语言的历史。
1954到1957年间，世界上第一种高级程序设计语言——Fortran诞生于IBM公司。Fortran这个名字的原意是IBM Mathematical FORmula TRANslation，其设计目的在于为科研人员提供一种符合数学思维习惯的高级语言，以满足科学计算的需要。1960年代，在美苏太空竞赛的大背景下，在国防、教育和科研领域对高性能计算工具的迫切需求下，Fortran语言蓬勃发展，成为了当时统治计算机世界的高级语言之王。
1962年，为了统一不同公司、不同硬件平台上的Fortran语言，人们开始了Fortran语言标准化的尝试，这也是程序设计语言发展史上的第一次标准化历程。1972年，Fortran 66标准（标准编号来自标准草案的制定时间）正式发布。但因为标准文档过于简单，约束力不强，Fortran 66标准发布后，Fortran语言的统一问题并没有得到彻底解决。
1978年，Fortran语言标准的第一个修订版本正式发布，这就是我们熟悉的Fortran 77了。Fortran 77细致描述了Fortran语言的各种特征，让Fortran成了一种真正规范、高效和强大的结构化程序设计语言。此后，无数性能优异的Fortran 77编译器和开发工具的问世更是让Fortran 77成为了几乎所有理工科学生的必修课。
尽管Fortran 77的影响力一直延续到了今天，但Fortran语言不断变革的历程却从未停止过。为了改变Fortran 77那种老旧的、从打孔卡片遗传来的语言风格，为了给Fortran注入更多的现代特征，人们于1991年发布了崭新的Fortran 90标准。除了自由的代码风格外，Fortran 90还为Fortran语言引入了模块、接口、自定义（派生）数据类型和运算符、可动态分配和参与复杂运算的数组、泛型过程、指针、递归等重要的语法特征。这不但使结构化的Fortran语言更趋完善，也使其具备了少量的面向对象特性。
1997年发布的Fortran 95标准在Fortran 90的基础上，吸收了HPF语言（High Performance Fortran，Fortran语言在并行环境下的一个变种）的优点，提高了Fortran语言在并行任务中的表达和计算能力，并进一步完善了派生类型、指针、数组等要素的相关语法。
以Fortran 66为基准，我们可以把后续的Fortran 77/90/95以及本文介绍的Fortran 2003均视为对Fortran语言标准的修订。在历次修订中，Fortran 77和Fortran 95是修订幅度相对较小的版本，而Fortran 90和Fortran 2003则是锐意变革的“大修”版本。如果说Fortran 90是在“形式”上让Fortran脱胎换骨的话，那么，Fortran 2003就近乎彻底地解决了Fortran语言现代化的问题：完整的面向对象机制、灵活的语法特征、统一的接口标准……这些难道还不足以让Fortran迷们跃跃欲试吗？
2. 面向对象的Fortran
从结构化程序设计到面向对象，这是大多数高级语言的发展、演变规律，Fortran也未能免俗。在Fortran 77中，由于缺乏对数据抽象和数据封装的基本支持，人们很难引入面向对象的理念和方法。在Fortran 90/95中，尽管我们可以用派生类型（Derived Type）和模块（Module）模拟一部分面向对象的特性，但却无法实现真正意义上的封装和继承。
对数据和相关操作的封装是面向对象的基础。传统的结构化程序设计语言大多拥有简单的数据封装能力（如Pascal语言中的record），但缺乏对操作封装的支持。当我们为结构化程序设计语言引入面向对象机制时，在语法层面一般有两种思路：一种是引入一个全新的语法容器，允许用户借助该容器定义出封装了数据和操作的统一数据类型，例如，C++在C语言的基础上扩展出了class的概念，并以class为中心支持面向对象编程；另一种是通过某种机制，将原有的数据封装容器和表述操作的过程或函数捏合在一起，例如，Ada 95利用Ada 83中已有的概念，将private type和相关操作封装在package中，创建了完整的面向对象机制。Fortran 2003对Fortran 90/95的改造正是遵循着后一种思路进行的。
首先，Fortran 2003第一次引入了过程指针（Procedure Pointer）的概念。Fortran 90/95只支持普通指针。为了实现回调机制，Fortran 90/95特意引入了用过程名充当形式参数（Dummy Procedure）的语法，但这种语法还无法解决在数据类型中内嵌相关操作的问题。在Fortran 2003中，我们可以使用过程指针将数据和操作绑定在一起：

1. TYPE point
   
2.     REAL :: x, y
   
3.     PROCEDURE (testif), POINTER :: test
   
4. END TYPE

复制代码

这种绑定是一种运行时的动态绑定，我们可以根据需要为过程指针赋值，这类似于我们在C语言的struct中嵌入函数指针。
其次，如果与类型相关的操作在编译时已经预知，我们就可以直接使用Fortran 2003提供的类型绑定过程（Type-bound Procedure），将数据和操作关联在一起：
TYPE point
    REAL :: x, y
CONTAINS
    PROCEDURE :: test => my_test
END TYPE
这样，在同一个模块中，类型和相关操作相互关联，用户可以直接使用CALL p1%test或类似的代码来访问特定操作，这已经非常近似于Ada 95的封装机制了。
和C++或Java语言相比，Fortran 2003的这种过程绑定方式较为靠近语言设计的底层。例如，对于绑定在point类型中的my_test过程，我们必须显示指明，该过程的第一个参数为point类型：
SUBROUTINE my_test(a)
    TYPE(point), INTENT(IN) :: a
END SUBROUTINE
这里的参数a相当于C++或Java方法中隐含的this参数，其目的是将调用该操作的对象实例传入过程。我把这种显示实现this参数的做法称为“赤裸裸的面向对象”。尽管写起来稍嫌繁琐，但这种“赤裸裸”的做法也有不少好处。例如，我们可以在Fortran 2003中使用NOPASS属性禁止传递对象实例，或通过PASS属性改变对象实例参数在过程参数表中的位置。
Fortran 90/95已经允许用户自定义运算符过程。现在，Fortran 2003则进一步允许用户将运算符过程绑定到特定的类型，其方法和绑定普通过程类似：
TYPE point
    REAL :: x, y
CONTAINS
    GENERIC :: OPERATOR(+) => plus
    GENERIC :: ASSIGNMENT(=) => assign
END TYPE
有了完善的数据和操作封装机制，Fortran 90/95中简单的访问权限控制属性——PRIVATE和PUBLIC就不能满足要求了。Fortran 2003扩展了PRIVATE和PUBLIC的使用范围，允许PRIVATE类型中出现PUBLIC成员，同时又增加了PROTECTED属性，以限定某个成员的取值只能由自己所属的模块修改。
Fortran 2003增强了派生类型的初始化和构造语法。尽管我们在Fortran 2003中还不能像在C++里那样随心所欲地定义各种构造函数，但仍可以较精确地控制对象的初始化过程。此外，Fortran 2003允许我们为类型定义终结子例程（Final Subroutine），以完成对象销毁时的清理工作。终结子例程可以定义多个，像这样：
TYPE point
    REAL :: x, y
CONTAINS
    FINAL :: finish1, finish2
END TYPE
在Fortran 2003中，继承机制是通过类型扩展（Type Extension）实现的。相关的语法和大多数面向对象语言的继承机制没有什么不同：
TYPE, EXTENDS(point) :: funny_point
    LOGICAL :: funny = .TRUE.
END TYPE
在扩展类型中，可以直接通过基类型的名称来引用基类型的成员，这类似于C++中引用基类成员的语法。
单从封装和继承这两个层面看来，Fortran 2003对Fortran 90/95的扩展就是革命性的。当年，Fortran 90刚问世的时候，许多人迫不及待地宣称Fortran已经是面向对象的语言了。殊不知，Fortran 90/95中的面向对象机制还不如Visual Basic 6.0中的类模块（Class Module）来得成熟，更不要说与真正面向对象的Fortran 2003相提并论了。
3. 自由的Fortran
灵活性一直是Fortran语言的一个弱项。早期的Fortran甚至不支持内存的动态分配。Fortran 90引入了指针的概念，全面支持数据的动态存取，同时也引入了泛型过程（Generic Procedure）的机制，以支持与C++的函数重载类似的功能。在此基础上，Fortran 2003通过参数化派生类型、覆盖、多态型等机制，进一步增强了Fortran语言的灵活性。例如：
TYPE point(k, n)
    INTEGER, KIND :: k = KIND(0.0D0)
    INTEGER, LEN :: n
    REAL(KIND=k) :: x, y
    CHARACTER(LEN=n) :: name
END TYPE
基于上面这样的参数化派生类型（Parameterized Derived Type），我们可以在定义对象时，根据需要指定对象的具体类型参数，也可以在程序运行期间，动态指定可分配内存对象的类型参数（Deferred Type Parameter）。
除了Fortran 90已经实现的重载（Overloading）机制以外，Fortran 2003还允许扩展类型覆盖（Overriding）基类型中的类型绑定过程。更重要的是，Fortran 2003通过抽象类型（Abstract Type）、延迟绑定（Deferred Binding）、多态实体（Polymorphic Entity）、类型选择结构（SELECT TYPE）等要素完整地实现了面向对象语言必备的多态机制。举例来说，我们可以声明下面这样的抽象类型：
TYPE, ABSTRACT :: point   
    REAL :: x, y
CONTAINS
    PROCEDURE(testif), DEFERRED :: test
END TYPE
ABSTRACT INTERFACE
    SUBROUTINE testif(p)
        CLASS(point), INTENT(in) :: p
    END SUBROUTINE
END INTERFACE
上述代码相当于在C++或Java语言中声明了一个抽象类，其中的test过程相当于C++语言中的一个纯虚函数，只有接口声明，而没有实现代码。在此基础上，我们可以从抽象类型point扩展出具体的子类型。
当某个对象的具体类型在运行时才能确定时，我们可以用CLASS关键字（这里的CLASS指的是一组有继承关系的类型，与C++中的class并不等同）定义一个具有多态功能的指针或可分配对象：
CLASS(point), POINTER :: p
现在，指针p可以指向任何由point扩展的具体类型的对象，这种使用方式已经和我们在C++中用基类指针引用派生类对象的做法一模一样了。使用这种具有多态性特征的实体时，我们还可以用Fortran 2003提供的内部过程SAME_TYPE_AS和EXTENDS_TYPE_OF来判定对象的类型，这是一种简单的运行时类型识别（RTTI）机制，其功能和C++语言中的typeid关键字相仿。
更有趣的是，Fortran 2003允许代码根据多态实体的实际类型，在运行时执行特定的程序流程：
CLASS(point), POINTER :: p
p => a
SELECT TYPE ( pp => p )
TYPE IS (point_3d)
    PRINT *, pp%z
TYPE IS (point_2d)
    PRINT *, pp%x
END SELECT
这种语法在程序设计语言中比较少见。在Java或C#等具备较强的RTTI和Reflection功能的语言中，我们可以用switch语句结合类型标识实现类似的功能，如下面的C#代码：
void foo(Point p) {
    switch(p.GetType().FullName) {
        case "Science.Point2D":
            MessageBox.Show("2D point");
            break;
        case "Science.Point3D":
            MessageBox.Show("3D point");
            break;
    }
}
但在Fortran这样不依赖于虚拟机和中间代码的纯编译型语言中，能够拥有如此方便的SELECT TYPE语句，实在是Fortran用户的一大幸事。
其他一些较小的语法功能扩充也能反映出Fortran 2003制定者对语言灵活性的追求。比方说，ASSOCIATE语句可以让Fortran用户体验到比C语言的宏定义更为便捷的复杂表达式替换功能：
ASSOCIATE ( Z => EXP(-(X**2+Y**2)) * COS(THETA) )
    PRINT *, A+Z, A-Z
END ASSOCIATE
再比方说，在Fortran 2003中，可以拥有ALLOCATABLE属性的变量已不再限于数组对象，参数化派生类型的对象也可以在定义时省略参数，而在动态分配时指明：
TYPE(point(KIND(0.0D0), n=20)) :: a
TYPE(point(KIND(0.0D0), n=:)),ALLOCATABLE :: b
ALLOCATE(b,SOURCE=a)
对于科学计算语言中最重要的数组（矩阵）操作，Fortran 2003也提供了更多的新功能。例如，为可动态分配的数组变量赋值时，目标数组的形状可以根据源数组的形状自动调整，并自动完成内存空间的重新分配，用户也可以使用新增的MOVE_ALLOC内部过程强制改变某个数组的形状：
REAL, ALLOCATABLE :: a(:), temp(:)
ALLOCATE(a(-n:n)
ALLOCATE(temp(-2*n:2*n))
temp(::2) = a
CALL MOVE_ALLOC(TO=a, FROM=temp)
Fortran 2003允许我们为指针类型的参数增加INTENT属性，这为那些与动态数据结构（如链表）相关的算法程序提供了更多的选择空间。Fortran 2003引入了IMPORT语句，允许接口声明中引用接口所在模块内的相关定义。Fortran 2003还允许我们在USE语句中，改变被引用模块内自定义运算符的名称。
总之，借助Fortran 2003提供的更加灵活的语法特性，我们能更容易地编写出可以适应不同数据类型、不同应用环境的可复用代码。对于Fortran语言拓展应用领域、发掘潜在用户的目标而言，这些灵活性都是至关重要和不可或缺的。
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_62500a1b0100n5er.html