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

compilado

arq1.obj

compilado

arq1.obj

compilado

arq2.obj

compilado

arq2.obj

compilado

arq3.obj

compilado

arq3.obj

fonte

arq1.f90

fonte

arq1.f90

fonte

arq2.f90

fonte

arq2.f90

fonte

arq3.f90

fonte

arq3.f90

pré-processado

arq1.i

pré-processado

arq1.i

pré-processado

arq2.i

pré-processado

arq2.i

pré-processado

arq3.i

pré-processado

arq3.i

Pré-processamento Compilação

programa

foo.exe

programa

foo.exe

“linkedição” ou “linkagem”

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 APRENDERNÃO 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 APRENDERAPRENDER Fortran

Fácil de aprender, desenvolver e depurar;

Extremamente eficiente na execução de CÁLCULOSCÁLCULOS;

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 77

Fortran 90

Fortran 95

Fortran 2003

FORTRAN

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 modulesuse dados

! declaracao de variaveisinteger :: n, k, l

! corpo do programan = 1k = 2l = n+kprint *, l

! finalizacao do programaend program

Tipos de dados

Inteirointeger :: n = 1

Real de precisão simplesreal*4 :: a = 3.0 ! 7 casas de precisãoreal(4) :: a = 3.0E1real :: a = 3.

Real de precisão dupla double precision :: a = 2.5d0 ! 15 casas de precisãoreal*8 :: a = 2.5D0real(8) :: a = 2.5D0

Lógicological :: ok = .false.

Tipos de dados (continuação)

Complexo de precisão simplescomplex*8 :: c = (1.,4.)

complex :: c = (1.3,4.1E1)

Complexo de precisão duplacomplex*16 :: c = (1.d0,4.d0)

Charactercharacter :: 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_nameSEQUENCE ! (Opcional) preserva a ordem de armazenamento dos camposcharacter(25) last_namecharacter(15) first_name

END TYPE employee_name

Type employee_dataTYPE (employee_name) :: name ! Usando o tipo previamente criadointeger telefoneinteger agelogical married

END TYPE

Usando um tipo derivado

Type(employee_data) :: employee

employee%name%last_name = 'Elias'

employee%name%first_name = 'Renato'

employee%telefone = 25628080

employee%age = 30

employee%married = .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 implícitaimplicit 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

+ soma a + b

- subtração x - y / divisão alfa/beta

* multiplicação beta*gamma

** potenciação a**b - menos unário -delta

= atribuição a = 1.0

// Contatenação de strings ‘abc’//’def’

Operadores Relacionais

símbolo (F77) símbolo (F90) descrição

.EQ. == Igual

.NE. /= Diferente

.GT. > Maior

.GE. >= Maior ou igual

.LT. < Menor

.LE. <= Menor ou igual

Exemplo: considere a = .true. e b = .false. para avaliar as seguintes operações 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.

Operadores Lógicos

Exemplo: considere a=.true. e b=.false. para avaliar as seguintes operações lógicas

c = a .and. b

c = a .or. b

c = .not. a

c = a .eqv. b

c = a .neqv. b

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

.NEQV. A.neqv.B verdadeiro se A ou B for verdadeiro e falso se ambos forem verdadeiros

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

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

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

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

Inteira3/5 = 0

13/4 = 3

Real3.0/5.0 = 0.6

3./5. = 0.6

13./4.0 = 3.25

Mista3.0/5 = 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:– 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 charactersprogram 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 1if (b > c) then

a = a+1c = 0

elsea = a–1b = 10

endif

! Exemplo 2idade: if (age>18) then

print *, ‘maior’

else print *,

‘menor’endif idade

! Exemplo 3if (b > c) then

a = a+1c = 0

elseif (c.eq.a) thena = a-1b = 10else

a = a+2b = 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:exitcycle [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 *, iENDDO

! Exemplo 2:DO n=1,10,3

print *, nENDDO

! Exemplo 3:DO j=10,1,-1

print *, jEND DO

! Exemplo 4:i0=-5; i1=30; inc=4DO n=i0,i1,inc

print *, nENDDO

! Exemplo 5:h=0.5DO x=4.0,7.9,h

print *, xENDDO

! Exemplo 6:externo: DO i=5,10 interno: DO j=10,1,-1 print *, ‘i+j vale:’, i+j ENDDO internoENDDO externo

DO: O que NÃONÃO 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 CelsiusToKelvinreal*4 :: celsiuscharacter :: opt*1

DOprint *, '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(*,*) optif (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