Fortran: definicija, zgodovina in uporaba programskega jezika

Fortran: definicija, zgodovina in uporaba — odkrijte razvoj, standarde (FORTRAN 77/90/95) ter praktične uporabe v znanstvenem in numeričnem programiranju.

Fortran je programski jezik, ki je bil prvič ustvarjen v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Uporablja se še danes. Je proceduralni jezik, ki se večinoma uporablja za znanstveno računalništvo in numerično analizo. Zanje je zasnovan z mislijo na hitro in zanesljivo izvajanje numeričnih izračunov, obvladovanje večdimenzionalnih tabel in učinkovito delo s plavajočo vejico.

Zgodovina in razvoj

Prvi prevajalnik FORTRAN je v letih 1954-57 ustvarila skupina pri IBM-u pod vodstvom Johna W. Backusa. Ta prevajalnik je bil prvi prevajalnik za katerikoli jezik visoke ravni. Avtorje je skrbelo, da jezika ne bo nihče uporabljal, če se programi, napisani v njem, ne bodo izvajali niti približno tako hitro kot programi, napisani v zbirnem jeziku. Zato so ga naredili kot optimizirni prevajalnik.

Ker so ga znanstveniki, ki so se ukvarjali z numeričnim delom, pogosto uporabljali, se je jezik razvijal tako, da je pisce prevajalnikov spodbujal k izdelavi prevajalnikov, ki so ustvarjali visokokakovostno (hitro) kodo. Obstaja veliko ponudnikov visoko zmogljivih prevajalnikov. Veliko dela in raziskav na področju teorije in načrtovanja prevajalnikov je bilo posledica potrebe po ustvarjanju dobre kode za programe Fortran.

Ključne značilnosti jezika

• Usmerjenost v numeriko: Fortran ima vgrajene tipe za realna in kompleksna števila ter številne intrinzične matematične funkcije, kar olajša pisanje numeričnih algoritmov.
• Učinkovito upravljanje matrik in polj: jezik ponuja sintakso za delo z večdimenzionalnimi tabelami in vektorsko obdelavo podatkov, kar omogoča kompaktne in hitro izvajane izraze.
• Optimizacija prevajalnikov: prevajalniki za Fortran so dolgo časa razvijali napredne optimizacije, zato so Fortran programi pogosto zelo hitro izvajani na zmogljivih računalnikih.
• Stari slog in postopki: zgodnje različice so uporabljale strogo pozicionirano obliko izvorne kode, številke vrstic in pogoste stavke goto, kar je vplivalo na slog programiranja v 50. in 60. letih.
• Večparadigmatske razširitve: z novejšimi standardi je Fortran pridobil moderne koncepte, kot so modularnost, rekurzija, tipi izpeljani iz uporabniških tipov in tudi podporo za vzporedno programiranje.

Različice in standardi

Nastalo je več različic tega jezika, vključno z zelo znanimi FORTRAN IV (enako kot FORTRAN 66), FORTRAN 77 in Fortran 90. Najnovejši uradni standardi so bili objavljeni po letu 1997 in so prinesli pomembne razširitve:

• Fortran 77 — uvedel je blokovno strukturo IF-THEN-ELSE, bolj formalne specifikacije I/O in standardizacijo številnih vidikov jezika.
• Fortran 90 — veliko sprememb: prostorsko oblikovanje (free-form), dinamična dodelitev pomnilnika, rekurzija, močno delo s polji (array operations) in modulni sistem.
• Fortran 95 — majše dopolnitve in izboljšave Fortran 90 ter manjše korekcije standarda (uradno iz leta 1997).
• Fortran 2003 — dodal objektno usmerjene koncepte, interoperabilnost s C, izboljšano upravljanje pomnilnika in dodatne zmogljivosti za vmesnike s knjižnicami.
• Fortran 2008 — uvedel podporo za vzporednost z coarrays, nove konstrukte za zanke in druge razširitve za sodobne arhitekture.
• Fortran 2018 — najnovejše dopolnitve so se osredotočile na robustnejšo standardizacijo vzporednosti, izboljšano interoperabilnost in številne manjše razširitve jezika.

Uporaba danes

Fortran se še vedno široko uporablja v aplikacijah, kjer sta potrebna visoka zmogljivost in natančnost, na primer:

• numerične simulacije in modeliranje (meteorologija, klimatske napovedi, oceanografija),
• računska fluidna dinamika (CFD),
• računalniška kemija in fizika,
• renderiranje v znanstvenih knjižnicah (BLAS, LAPACK, FFTPACK) in drugih numeričnih paketih,
• visoko zmogljivostne računske (HPC) aplikacije na superračunalnikih.

Primeri in sodoben slog

Na začetku je jezik temeljil na natančnem oblikovanju izvorne kode in pogosti uporabi številk stavkov ter stavkov "go to", ki so v jeziku Fortran zapisani kot goto. V sodobnih različicah se tak način programiranja odsvetuje; namesto tega se uporablja strukturirano programiranje, moduli, postopki in funkcije ter močnejša tipizacija.

Vsaka različica je uvedla "sodobne" programske koncepte, kot so komentarji izvorne kode in izpis besedila, IF-THEN-ELSE (v jeziku FORTRAN 77), rekurzija (v jeziku FORTRAN 90) in vzporedni konstrukti, hkrati pa je poskušala ohraniti "vitek" profil in visoko zmogljivost programa Fortran. Moderni Fortran podpira tudi modularno programiranje (moduli), tipizirane podatkovne strukture in orodja za enostavno interoperabilnost s kodo v C/C++.

Prevajalniki in ekosistem

Obstaja več dobro razvitih prevajalnikov in orodij, ki podpirajo različne standarde Fortrana, vključno z odprtokodnimi in komercialnimi rešitvami. Skupnosti in številne knjižnice ohranjajo jezik pomemben v znanstvenih krogih. Zaradi dolgoletne prisotnosti v numeričnem svetu obstaja obsežen nabor preverjenih in optimiziranih knjižnic, ki jih raziskovalci in inženirji še vedno uporabljajo.

Kdaj izbrati Fortran

• Če potrebujete največjo možno hitrost za numerične jedrne dele kode in delo z večdimenzionalnimi tabelami.
• Če gradite ali vzdržujete aplikacije ali knjižnice, ki imajo že dolgo zgodovino v Fortranu.
• Če ciljate na visoko zmogljivostne računske platforme, kjer so prevajalniki za Fortran zelo dobro optimizirani.

Fortran je torej zgodovinsko pomemben in še vedno relevanten jezik za numerične in znanstvene izračune. Kljub starosti se je razvil v modernejšo in večfunkcijsko različico, primerno za zahtevne sodobne aplikacije.

Išči po črki