譯 者 的 話

Fortran起源于1954年，是最早出現(xiàn)的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之一，它主要適合用來(lái)解決科學(xué)計(jì)算方面的問(wèn)題。今天即使是已經(jīng)進(jìn)入到面向?qū)ο缶幊虝r(shí)代，F(xiàn)ortran語(yǔ)言仍然被專注于數(shù)據(jù)計(jì)算的科學(xué)家和工程師廣泛使用。本書(shū)為第四版，相較于第三版以Fortran 95/2003為藍(lán)本，這次主要講解Fortran 2008，并在第17章增加了并行處理和優(yōu)化數(shù)組兩個(gè)Fortran 2008中的全新內(nèi)容。但是原書(shū)的結(jié)構(gòu)與風(fēng)格依然未變：章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，自上而下的程序設(shè)計(jì)方法貫穿始終，理論闡述翔實(shí)，例題講解清晰，代碼測(cè)試完整，驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果的測(cè)驗(yàn)問(wèn)題和練習(xí)內(nèi)容豐富。所有這些特性都是作者為方便讀者自學(xué)、掌握Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)而精心設(shè)計(jì)的，這也成為用Fortran語(yǔ)言編程的人們樂(lè)于購(gòu)買(mǎi)本書(shū)的亮點(diǎn)。

本書(shū)不僅是Fortran語(yǔ)言初學(xué)者的入門(mén)必選，也是熟練掌握Fortran語(yǔ)言人員的首選參考書(shū)。本書(shū)第1～7章，從計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，講述了計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示。Fortran語(yǔ)言的發(fā)展歷史，以及編程良好習(xí)慣如何培養(yǎng)，詳盡介紹了Fortran語(yǔ)言基本知識(shí)。第8～15章介紹了Fortran語(yǔ)言高級(jí)特性，為初學(xué)者掌握和用好Fortran語(yǔ)言提供了強(qiáng)有力的支持。第16章介紹了Fortran語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊谭椒�，�?7章介紹了Fortran 2008中的并行處理和優(yōu)化數(shù)組，第18章逐一簡(jiǎn)述已經(jīng)宣布廢棄的那些Fortran舊特性，為遺留的舊版Fortran程序繼續(xù)使用提供支持，這些新知識(shí)和舊特性是熟練使用Fortran編程人員最關(guān)心的內(nèi)容。

本書(shū)自始至終強(qiáng)調(diào)樹(shù)立實(shí)際工程編程思想，致力于培養(yǎng)讀者編寫(xiě)良好的可讀性、維護(hù)性和完整性的程序的能力。書(shū)中有大量的工程實(shí)例，在每章后面的習(xí)題中配有很多練習(xí)，其中不少練習(xí)涉及各個(gè)學(xué)科的實(shí)際工程計(jì)算。例如，相對(duì)論、電子工程、萬(wàn)有引力、逃逸速度、雙曲余弦、振動(dòng)周期、無(wú)線電接收機(jī)等的編程。這極利于讀者明白所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的運(yùn)用，掌握所學(xué)知識(shí)，增加學(xué)習(xí)興趣。

本書(shū)主要譯者有劉博雅（第1～4章）、林慕清（第5～7章）、李浩亮（第8～10章）、王志強(qiáng)（第13～15章）、張克君（第16章）、李援南（第17章）、章小莉（第18章、附錄及其他內(nèi)容），還得到了張悅、錢(qián)榕、李偉、楊志成、霍剛、周志全、曹長(zhǎng)宏、章曉盛等人的大力支持。最后章小莉?qū)θ�部譯稿進(jìn)行了審閱。在此對(duì)大家的精誠(chéng)合作表示深深的感謝！

我們希望這本新修訂的第四版圖書(shū)能為用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)計(jì)算、完成科學(xué)研究的讀者們帶去更多的幫助。限于時(shí)間和水平，書(shū)中難免存在不足之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

譯 者

前 言

本書(shū)第一版是我編寫(xiě)和維護(hù)國(guó)防和地球物理領(lǐng)域的大型Fortran程序的產(chǎn)物。在工作期間，很顯然，成功編寫(xiě)大型程序取決于策略和技術(shù)，那時(shí)候?qū)σ粋�(gè)年輕的工程師來(lái)說(shuō)，維護(hù)Fortran程序與在學(xué)校學(xué)習(xí)Fortran程序的編寫(xiě)完全不同。一旦程序投入服務(wù)，維護(hù)和修改大型程序絕對(duì)需要高得令人難以置信的費(fèi)用。因?yàn)榫幊痰娜巳菀桌斫獬绦�，而修改程序的人相較于原程序員來(lái)說(shuō)就很難明白它們的內(nèi)容。我編寫(xiě)本書(shū)的目標(biāo)是，既傳授Fortran語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)，也很好地講解編寫(xiě)和維護(hù)程序的技術(shù)。另外，還希望本書(shū)對(duì)今后打算從事編程工作的學(xué)生有參考價(jià)值。

在學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)過(guò)程的早期，要教會(huì)他們花更多的精力來(lái)保證程序的可維護(hù)性是非常難的。因?yàn)檎n堂上的編程任務(wù)都很簡(jiǎn)單，一個(gè)人足以在短時(shí)間內(nèi)完成編寫(xiě)任務(wù)，且這些程序也不需要多年的維護(hù)。正因?yàn)轫?xiàng)目簡(jiǎn)單，一個(gè)學(xué)生只要參加了課程學(xué)習(xí)，就能完成所有編程任務(wù)，通過(guò)考試，即使不學(xué)實(shí)際工作中參加大型編程項(xiàng)目時(shí)需要的習(xí)慣，常常也能勝任從編寫(xiě)到產(chǎn)生代碼整個(gè)過(guò)程的任務(wù)。

本書(shū)一開(kāi)始介紹編寫(xiě)的Fortran程序就適用于大型項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，這樣可以強(qiáng)調(diào)在編代碼前認(rèn)真進(jìn)行設(shè)計(jì)的重要性。其中設(shè)計(jì)過(guò)程使用的技術(shù)是自頂向下設(shè)計(jì)，即把大型程序分解為可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的若干個(gè)邏輯部分。書(shū)中還強(qiáng)調(diào)完成單個(gè)邏輯部分編寫(xiě)過(guò)程的重要性和在開(kāi)始將各個(gè)獨(dú)立部分集成為最終產(chǎn)品的過(guò)程開(kāi)始之前單元測(cè)試的重要性。

另外，本書(shū)講述的Fortran程序，工程師和科學(xué)家在實(shí)際工作與研究中都會(huì)遇到。所有編程環(huán)境中一個(gè)問(wèn)題是很常見(jiàn)的：必須維護(hù)大量遺留代碼。在特殊場(chǎng)合的遺留代碼起初是用Fortran Ⅳ（或甚至更早版本�。┚帉�(xiě)的，今天這些程序的結(jié)構(gòu)已不再被使用。例如，這些代碼可以通過(guò)使用IF語(yǔ)句來(lái)完成，或計(jì)算轉(zhuǎn)到或賦值轉(zhuǎn)到GO TO語(yǔ)句。第18章將介紹Fortran語(yǔ)言中那些不再被使用，但是在遺留代碼中還是會(huì)遇到的舊特性。同時(shí)也強(qiáng)調(diào)在新程序中應(yīng)該永不再用這些特性，并教會(huì)學(xué)生在遇到這些特性時(shí)如何處理它們。

第四版的變化

本書(shū)第四版直接基于Fortran 95/2003（適用科學(xué)家和工程師） 的第三版而編寫(xiě)，保留了上一版的編寫(xiě)結(jié)構(gòu)，但全書(shū)都穿插Fortran 2008的新知識(shí)（以及Fortran 2015標(biāo)準(zhǔn)建議的相關(guān)內(nèi)容），可喜的是，F(xiàn)ortran起源于1954年，至今還生機(jī)勃勃。

從邏輯上來(lái)說(shuō)，F(xiàn)ortran 2008大部分新增技術(shù)是對(duì)Fortran 2003的擴(kuò)展，各章的相應(yīng)地方都介紹了這些新技術(shù)。但是，并行處理和優(yōu)化數(shù)組為全新內(nèi)容，第17章專門(mén)對(duì)它們有介紹。

絕大多數(shù)Fortran語(yǔ)言課程授課時(shí)間限定為三個(gè)月或一個(gè)學(xué)期，學(xué)生從中掌握Fortran語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)和編程基本概念。這些課程的內(nèi)容為本書(shū)第1～7章，如果有時(shí)間的話，可選學(xué)第8章、第9章。給學(xué)生打下良好基礎(chǔ)，以便他們?cè)趯?shí)踐中更好地使用Fortran語(yǔ)言。

有能力的學(xué)生、工作中的科學(xué)家和工程師會(huì)需要第11～15章的COMPLEX（復(fù)數(shù)）、派生數(shù)據(jù)類型和指針知識(shí)。工作中的科學(xué)家和工程師幾乎肯定需要第18章中陳舊、豐富和已刪除的Fortran特性，這些知識(shí)很少在課堂中傳授。但是本書(shū)包含了這些知識(shí)，目的在于實(shí)際中用Fortran語(yǔ)言解決真實(shí)問(wèn)題時(shí)，本書(shū)依然有參考價(jià)值。

本書(shū)特點(diǎn)

本書(shū)設(shè)計(jì)了很多特性來(lái)強(qiáng)調(diào)如何用恰當(dāng)?shù)姆椒ň帉?xiě)可靠性高的Fortran程序。這些特性對(duì)于首次學(xué)習(xí)Fortran的學(xué)生和實(shí)際工程中的人們都很有用。它們是：

1．現(xiàn)代技術(shù)

本書(shū)在例題中始終用的是最新特性。許多Fortran 2008現(xiàn)代特性中不僅一直保留著Fortran語(yǔ)言舊版本的特性，還有了可取代它們的新特性。在這種情況下，例題中用的是現(xiàn)代新技術(shù)。舊技術(shù)的使用大部分被移到第18章中講述，在那里強(qiáng)調(diào)了它們是舊版本的/不受歡迎的。保留的舊版本Fortran特性有：使用模塊替代COMMON（通用）塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，DO… END DO循環(huán)替代DO…CONTINUE循環(huán)，內(nèi)部過(guò)程替代語(yǔ)句函數(shù)、CASE結(jié)構(gòu)替代計(jì)算轉(zhuǎn)向GOTO語(yǔ)句。

2．強(qiáng)制類型

全書(shū)一直使用IMPLICIT NONE語(yǔ)句來(lái)強(qiáng)制每個(gè)程序中的每個(gè)變量類型要顯式聲明，以便編譯時(shí)捕捉到常見(jiàn)的打字錯(cuò)誤。與程序中每個(gè)變量顯式聲明一起，書(shū)中強(qiáng)調(diào)創(chuàng)建數(shù)據(jù)字典的重要性。該字典描述程序中每個(gè)變量的作用。

3．自頂向下設(shè)計(jì)方法

本書(shū)第3章介紹了自頂向下設(shè)計(jì)方法，并且隨后的其他章節(jié)一直在用該方法。這一方法鼓勵(lì)學(xué)生在開(kāi)始編代碼前，仔細(xì)思考，對(duì)程序進(jìn)行好的設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)明確定義問(wèn)題的重要性，以便在開(kāi)始任何其他工作之前準(zhǔn)備好需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)。一旦問(wèn)題被恰當(dāng)定義，緊接著就教授學(xué)生逐步細(xì)化問(wèn)題，即將問(wèn)題分解得更小，把單個(gè)子任務(wù)設(shè)計(jì)為子例程或函數(shù)，最后告訴學(xué)生每個(gè)階段中測(cè)試的重要性，包括關(guān)于構(gòu)建程序的單元測(cè)試和最終產(chǎn)品的集成測(cè)試。書(shū)中給出了幾個(gè)程序示例說(shuō)明如何進(jìn)行測(cè)試，這些程序可以在一些數(shù)據(jù)集上正確運(yùn)行，而在另一數(shù)據(jù)集上運(yùn)行時(shí)卻可能失敗。

通過(guò)學(xué)習(xí)本書(shū)可以知道標(biāo)準(zhǔn)的程序設(shè)計(jì)過(guò)程是：

（1）清晰地說(shuō)明要解決的問(wèn)題。

（2）定義程序需要的輸入和將產(chǎn)生的輸出。

（3）描述打算用于程序的算法。這一步涉及自頂向下、逐步分解、偽代碼或流程圖。

（4）把算法轉(zhuǎn)換成Fortran程序。

（5）測(cè)試程序。這一步包括對(duì)于特定子例程的單元測(cè)試，也包括用許多不同數(shù)據(jù)完成最終程序的集成測(cè)試。

4．過(guò)程

本書(shū)強(qiáng)調(diào)用子例程和函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)在邏輯上大任務(wù)分解出來(lái)的子任務(wù)，并利用過(guò)程隱藏?cái)?shù)據(jù)，還強(qiáng)調(diào)要重視在將子任務(wù)集成為最后的程序之前的單元測(cè)試。另外，書(shū)中還介紹了使用過(guò)程時(shí)常見(jiàn)的錯(cuò)誤，以及怎樣避免這些錯(cuò)誤（參數(shù)類型不匹配、數(shù)組長(zhǎng)度不匹配等）。書(shū)中強(qiáng)調(diào)對(duì)過(guò)程要用好顯式接口，因?yàn)樗�使得在�?duì)Fortran編譯時(shí)，編譯器能盡可能多地捕捉常見(jiàn)的編程錯(cuò)誤。

5．簡(jiǎn)版和標(biāo)準(zhǔn)版Fortran

本書(shū)強(qiáng)調(diào)編寫(xiě)簡(jiǎn)潔Fortran代碼的重要性，因?yàn)檫@樣才可以很容易地實(shí)現(xiàn)代碼在不同類型計(jì)算機(jī)之間的移植。書(shū)中還教授學(xué)生在自己的程序中一定要用標(biāo)準(zhǔn)版的Fortran語(yǔ)句，以便代碼達(dá)到最大限度的簡(jiǎn)潔。另外，書(shū)中還教授多用像SELECTED_REAL_KIND函數(shù)這樣的特性，以避免在不同機(jī)器上運(yùn)行程序時(shí)，發(fā)生數(shù)據(jù)精度和類別不同的問(wèn)題。

本書(shū)也教授學(xué)生不要在少數(shù)特殊的過(guò)程中用與機(jī)器型號(hào)有關(guān)的代碼（如調(diào)用與機(jī)器系統(tǒng)有關(guān)的類庫(kù)文件），以免在移植程序時(shí)不得不重寫(xiě)這些代碼。

6．良好的編程習(xí)慣

當(dāng)介紹良好編程習(xí)慣時(shí)，便于對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)它們，這些知識(shí)點(diǎn)被突出表示，以示強(qiáng)調(diào)這是好的編程做法。另外，每章介紹的良好的編程習(xí)慣在每章最后都進(jìn)行了小結(jié)。下面舉例說(shuō)明書(shū)中如何標(biāo)示良好的編程習(xí)慣知識(shí)點(diǎn)。

7．編程警示

書(shū)中對(duì)編程時(shí)需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了突出表示，以提示要避免它們的發(fā)生。下面舉例說(shuō)明書(shū)中如何標(biāo)示編程警示知識(shí)點(diǎn)。

8．指針和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

第15章詳細(xì)討論了Fortran指針，包括指針使用不正確可能帶來(lái)的問(wèn)題。如內(nèi)存不足，指針指向的空間將得不到分配。書(shū)中給出了很多動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例，包括鏈表和二叉樹(shù)。

第16章討論了Fortran的對(duì)象和面向?qū)ο缶幊�，包括涉及程序多態(tài)性的動(dòng)態(tài)指針的使用。

9．注意事項(xiàng)

本書(shū)中有很多的注意事項(xiàng)，這些注意事項(xiàng)列出的是學(xué)生可能感興趣的其他信息。某些注意事項(xiàng)實(shí)質(zhì)上展示了Fortran的發(fā)展史。例如，第1章有一條注意事項(xiàng)描述了IBM Model 704，這是第一臺(tái)運(yùn)行Fortran的機(jī)器。另有一條注意事項(xiàng)是對(duì)書(shū)本知識(shí)的補(bǔ)充。再如，第9章的一條注意事項(xiàng)回顧和概述了Fortran中數(shù)組的多處不同。

10．知識(shí)點(diǎn)完整參考資料

最后，書(shū)中給出了現(xiàn)代Fortran語(yǔ)言的完整參考資料，以便讀者在實(shí)際應(yīng)用中能快速查找需要的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。這里把特別關(guān)注點(diǎn)列入在特性表中，很容易查閱，其中包括晦澀和難于理解的特性，如通過(guò)地址引用傳遞過(guò)程名，在表控輸入語(yǔ)句中的默認(rèn)值等。

本書(shū)教學(xué)特點(diǎn)

為了便于學(xué)生理解書(shū)中所講內(nèi)容，本書(shū)有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

每章開(kāi)頭列出了本章學(xué)習(xí)目標(biāo)。共有27個(gè)測(cè)驗(yàn)分布于全書(shū)之中，相應(yīng)答案在附錄F。這些測(cè)驗(yàn)?zāi)軒椭�讀者自我檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。另外，有大約360個(gè)練習(xí)出現(xiàn)在各章節(jié)之后，全部練習(xí)答案在圖書(shū)網(wǎng)站可以找到，當(dāng)然練習(xí)答案在教師參考手冊(cè)上也有包含。各章中良好的編程習(xí)慣均加粗強(qiáng)調(diào)，常見(jiàn)的錯(cuò)誤在編程警示中給出了提醒，各章末尾也對(duì)良好的編程習(xí)慣和Fortran語(yǔ)句和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小結(jié)，最后附錄C給出了Fortran內(nèi)置過(guò)程的詳細(xì)說(shuō)明，附錄E列出了全部的術(shù)語(yǔ)。

本書(shū)有教師參考手冊(cè)，其中含有各章練習(xí)答案，教師也可在該圖書(shū)網(wǎng)站的教師參考手冊(cè)中找到答案，書(shū)中全部例題源代碼和相關(guān)的補(bǔ)充材料也可以從圖書(shū)網(wǎng)站上下載獲得。

關(guān)于Fortran編譯器的注意事項(xiàng)

在寫(xiě)作本書(shū)的時(shí)候，我用過(guò)兩種Fortran編譯器：Intel Visual Fortran Version 16.0和GNU G95 Fortran編譯器。兩個(gè)編譯器對(duì)Fortran 2008的完整功能基本實(shí)現(xiàn)，僅有非常少的幾項(xiàng)功能不支持，同時(shí)這兩種編譯器對(duì)Fortran 2015未來(lái)的實(shí)現(xiàn)特性的建議給予了關(guān)注。

在此，我對(duì)潛在的用戶強(qiáng)烈推薦該兩編譯器，因?yàn)镮ntel Fortran的優(yōu)點(diǎn)是很好地集成了調(diào)試環(huán)境，但其缺點(diǎn)是價(jià)格偏高。G95編譯器則可以免費(fèi)使用，但其調(diào)試功能相對(duì)難用。

用戶最后的注意事項(xiàng)

無(wú)論我多么努力地審校本書(shū)，書(shū)中還是會(huì)存在一些印刷和打印錯(cuò)誤，如果讀者發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤，請(qǐng)通過(guò)出版社告訴我，我將在重印和改版時(shí)努力修正它們。對(duì)于你的幫助與支持我深表感謝。

在本書(shū)網(wǎng)站上我將提供完整的勘誤表和錯(cuò)誤改正說(shuō)明，網(wǎng)址是www.mhhe.com/ chapman4e，如果需要獲取修訂信息和最新更新請(qǐng)查看該網(wǎng)站。

致謝

在此我對(duì)Raghu Srinivasan和McGraw-Hill教育團(tuán)隊(duì)為本次圖書(shū)修訂所做的工作深表感謝。另外，我要感謝我的妻子Rosa和女兒Devorah，她們?cè)诒敬螆D書(shū)修訂過(guò)程中給予了我大力支持（在前一版的圖書(shū)修訂中，我也對(duì)其他7個(gè)孩子給予了感謝，但是這次他們均已長(zhǎng)大成人）。

Stephen J. Chapman

Melbourne, Victoria, Australia