Fortran 90借用C++函數(shù)模板

畢蘇萍，周振紅，赫曉慧

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，泛型編程(Generic Programming)具有廣泛的意義.用泛型編程先驅(qū)(Alexander Stepanov)的話來(lái)說(shuō):泛型編程是對(duì)算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和分類，其目標(biāo)是遞增式構(gòu)造實(shí)用、高效、抽象的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)或框架［1］.簡(jiǎn)言之，泛型編程是將算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由具體的實(shí)例提升到一般、抽象的形式，使之可以操作不同的數(shù)據(jù)類型.

C++提供了模板(包括類模板和函數(shù)模板)，并逐步積累有相對(duì)完善的標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)STL［2］，對(duì)泛型編程給予了很好的支持.Fortran從77到90［3］、2003［4］對(duì)泛型編程的支持不斷加強(qiáng)，但直至2008也沒(méi)能提供模板工具［5］.假如 Fortran 90借用C++函數(shù)模板能夠獲得成果，那么無(wú)疑會(huì)極大地拓展C++的應(yīng)用空間，給科學(xué)與工程計(jì)算增添新的活力.筆者就此展開(kāi)探討，示例程序測(cè)試環(huán)境:C++為 VC 6.0，F(xiàn)ortran 90為 Compaq Visual Fortran 6.6.

1 C++特殊的重載函數(shù)簇—函數(shù)模板

C++支持函數(shù)重載，允許在參數(shù)表不同的前提下于同一編譯單元定義幾個(gè)同名函數(shù)，調(diào)用時(shí)依據(jù)參數(shù)表最佳匹配的原則自動(dòng)選擇合適的函數(shù).比如在編程計(jì)算中，1/2整數(shù)除結(jié)果為0，1.0/2.0實(shí)數(shù)除結(jié)果為0.5，筆者用兩個(gè)重載函數(shù)予以驗(yàn)證(當(dāng)中的參數(shù)采取引用傳遞，和Fortran 90的參數(shù)傳遞保持一致):

int divid(int＆a，int＆b){return a/b;}

float divid(float＆a，float＆b){return a/b;}.

測(cè)試上列重載函數(shù)的主函數(shù)為:

void main(void){

int a=1，b=2;float x=1.0，y=2.0;

cout＜＜ ″1/2=″＜＜ divid(a，b) ＜＜ endl;//整數(shù)除

cout＜＜″1.0/2.0=″＜＜ divid(x，y) ＜＜endl;}//實(shí)數(shù)除.程序運(yùn)行結(jié)果為:

1/2=0

1.0/2.0=0.5.

觀察上列重載函數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn):①是接口類同，惟有函數(shù)結(jié)果、參數(shù)的數(shù)據(jù)類型不同;②是算法相同.在這種情況下，將上列重載函數(shù)抽象為一個(gè)函數(shù)模板、用一個(gè)泛型T代替函數(shù)結(jié)果、參數(shù)的數(shù)據(jù)類型:

template＜typename T＞//亦可用class代替typename聲明函數(shù)模板中的泛型

T divid(T＆a，T＆b){return a/b;}//divid，a，b的類型均為泛型T

同樣的測(cè)試主函數(shù)，當(dāng)調(diào)用divid(a，b)函數(shù)時(shí)構(gòu)造的是divid＜int＞函數(shù)模板實(shí)例，而當(dāng)調(diào)用divid(1.0，2.0)函數(shù)時(shí)則構(gòu)造的是divid＜float＞函數(shù)模板實(shí)例，分別與整型和實(shí)型重載函數(shù)divid相當(dāng)，所以測(cè)試結(jié)果與上列重載函數(shù)的相同.說(shuō)明上列重載函數(shù)與函數(shù)模板的效果完全相同，從而證明，可以將函數(shù)模板看成是一特殊的重載函數(shù)簇.

2 Fortran 90模擬C++函數(shù)重載

要模擬C++函數(shù)重載，有必要先回顧一下Fortran 90接口塊的引入.Fortran 90共有4種程序單元:主程序、外部例程(子程序和函數(shù)統(tǒng)稱為例程)、模塊和數(shù)據(jù)塊，當(dāng)被調(diào)程序?yàn)橥獠坷虝r(shí)，為使編譯器產(chǎn)生正確調(diào)用，F(xiàn)ortran 90要求在調(diào)用程序中建立被調(diào)外部例程的接口塊，以明確其接口信息:例程名、例程實(shí)現(xiàn)機(jī)制(函數(shù)，或者子程序)、函數(shù)類型、參數(shù)的類型、屬性及傳遞方式.當(dāng)被調(diào)外部例程接口簡(jiǎn)單時(shí)，是否在調(diào)用程序中建立其接口塊是可選的;當(dāng)接口復(fù)雜時(shí)，建立其接口塊就成為必須的.比如:外部函數(shù)返回?cái)?shù)組或變長(zhǎng)字符串，參數(shù)中有可選參數(shù)，有假定形狀數(shù)組、指針或目標(biāo)屬性參數(shù)，有例程參數(shù)(即例程作參數(shù)，類似于C語(yǔ)言中的函數(shù)指針作參數(shù))等.接口塊的構(gòu)造形式為:

Interface

Function/Subroutine例程名 (形參表)!接口

形參聲明(包括函數(shù)結(jié)果類型聲明)

End Function/Subroutine

End Interface.

Fortran 90不直接支持例程重載，不允許定義同名的外部例程，但允許將幾個(gè)外部例程接口置于同一接口塊內(nèi)，并給接口塊命名、以接口塊名作為各個(gè)外部例程的統(tǒng)稱，調(diào)用時(shí)依據(jù)接口匹配的原則自動(dòng)選擇相對(duì)應(yīng)的外部例程，從而推出了支持泛型編程的接口塊(姑且稱為泛型接口塊).

Interface泛型接口塊名

接口體

End Interface.

其中，接口體由幾個(gè)外部例程或者模塊例程接口構(gòu)成.

下面用Fortran 90實(shí)現(xiàn)前述C++函數(shù)重載示例.首先，用外部例程(函數(shù))div_int和div_real分別實(shí)現(xiàn)C++整數(shù)除和實(shí)數(shù)除重載函數(shù)，其實(shí)現(xiàn)代碼只比各自的接口多一行.

div_int=x/y或div_real=x/y

包含其泛型接口塊(divid)的主程序?yàn)?

PROGRAM test_overloading

Implicit None

Interface divid!泛型接口塊

Integer Function div_int(x，y)!外部例程接口

Integer，Intent(IN)::x，y

End Function

Real Function div_real(x，y)!外部例程接口

Real，Intent(IN)::x，y

End Function

End Interface

WRITE(* ，*)'1/2='，divid(1，2)!整數(shù)除

WRITE(* ，*)'1.0/2.0='，divid(1.0，2.0)!實(shí)數(shù)除

END PROGRAM.程序運(yùn)行結(jié)果為:

1/2=0

1.0/2.0=0.500 000 0.

調(diào)用程序使用了統(tǒng)一的泛型接口塊名divid，而真正調(diào)用的是與接口匹配的div_int、div_real外部例程或稱為“重載”例程;C++盡管重載函數(shù)名稱相同，但由于編譯時(shí)增加的特殊修飾其目標(biāo)函數(shù)名并不相同，這樣才有可能依據(jù)不同的參數(shù)表調(diào)用與之匹配的重載函數(shù).可見(jiàn):這里的外部例程加泛型接口塊與C++重載函數(shù)的效果是相同的.

3 C++函數(shù)模板實(shí)例化為“重載”例程

無(wú)論是C++的重載函數(shù)還是C++的函數(shù)模板，都只有在C++環(huán)境中才能直接調(diào)用或?qū)嵗?，即便在其子集C語(yǔ)言中也無(wú)法直接使用.推想背后的道理，可能是編譯器的功能所致.C++編譯器能夠添加特殊的命名修飾，據(jù)此可以判明對(duì)應(yīng)的重載函數(shù)或構(gòu)造不同的函數(shù)模板實(shí)例;C編譯器無(wú)此功能，所以它不支持函數(shù)重載或函數(shù)模板，C++的重載函數(shù)或函數(shù)模板也禁止使用C鏈接(其作用是消除C++編譯器的特殊命名修飾).

前面筆者已經(jīng)探討過(guò):Fortran 90在泛型接口塊的支持下，可以將普通外部例程當(dāng)作是C++的重載函數(shù)，進(jìn)而也可以看成是C++函數(shù)模板實(shí)例.這樣一來(lái)，如果設(shè)法在C++環(huán)境中將函數(shù)模板實(shí)例化為 Fortran 90“重載”例程，就可采取C++與 Fortran的混合編譯［6］，從而在 Fortran 90環(huán)境中使用C++函數(shù)模板.循這一思路，在前述C++函數(shù)模板示例代碼下面增加包裝子

extern ″C″{

int__stdcall DIV_INT(int＆a，int＆b){return divid(a，b);}

float__stdcall DIV_REAL(float＆a，float＆b){return divid(a，b);}}

為使接口與Fortran 90的“重載”例程接口保持一致，上列設(shè)置采取C鏈接、__stdcall調(diào)用約定、大寫(xiě)命名約定及引用參數(shù)傳遞方式.此處的包裝子有兩個(gè)作用:對(duì)內(nèi)，實(shí)例化函數(shù)模板;對(duì)外，承擔(dān)Fortran 90“重載”例程.

將前述C++函數(shù)模板和包裝子單獨(dú)保存為一個(gè)文件(.cpp)，并與 Fortran 90主程序文件(.f90)置于同一項(xiàng)目.程序運(yùn)行結(jié)果，與模擬C++函數(shù)重載示例的結(jié)果相同.

4 結(jié)論

將C++函數(shù)模板看成接口相似、算法相同的特殊重載函數(shù)簇，在泛型接口塊支持下，將Fortran 90外部例程模擬成C++重載函數(shù)，然后在C++環(huán)境中添加包裝子，將函數(shù)模板實(shí)例化成Fortran 90“重載”例程，進(jìn)而在Fortran 90環(huán)境中以正常方式使用C++函數(shù)模板.像C等其它語(yǔ)言要借用C++函數(shù)模板，也可采取同樣的思路.

［1］ALEXANDER A.STEPANOV.Generic programming［EB/OL］.http://www.stepanovpapers.com/，2012.5.22.

［2］DAVID V，NICOLAI M J.C++Templates:The Complete Guide［M］.Addison Wesley，2003.

［3］周振紅，郭恒亮，張君靜，等.Fortran 90/95高級(jí)程序設(shè)計(jì)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2005.

［4］Fortran 2003 standard［EB/OL］.http://www.j3-fortran.org/doc/year/04/04-007.pdf，2012.5.22.

［5］CHIVERS S.Introduction to programming with fortran with coverage of fortran 90，95，2003，2008 and 77［M］.Springer，2012.

［6］任慧，周振紅，張成才.Fortran與C/C++的混合編譯［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(17):4096-4098、4111.