C、C++、Fortran混合編程技術(shù)研究與問題處理

鄒倩倩 孫沛 楊冰 孫夢婕

【摘要】通過對C、C++、Fortran不同語言混合起來進(jìn)行編程，利用各自在數(shù)字計(jì)算和可視化應(yīng)用等方面的優(yōu)勢，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)，并對在C、C++、Fortran混合編程中經(jīng)常遇到的一些問題及其處理方式進(jìn)行研究，如字符串處理、文件讀寫處理、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲等。

【關(guān)鍵詞】C;C++;Fortran;混合編程;字符串;文件讀寫;函數(shù)調(diào)用

對C、C++、Fortran不同語言混合起來進(jìn)行編程，利用各自的優(yōu)勢，彌補(bǔ)各自功能的不足，如FORTRAN語言具有強(qiáng)大的科學(xué)數(shù)字計(jì)算功能，但繪圖功能不強(qiáng);而C、C++語言計(jì)算功能不強(qiáng)，但它具有良好的移植性和較強(qiáng)的圖形功能，可將計(jì)算方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)輸入簡易、結(jié)果顯示方便的Windows可視化應(yīng)用程序，因此，在許多情況下，我們應(yīng)該使用C、C++、Fortran等進(jìn)行混合編程。在既要大量計(jì)算，又要圖形處理的開發(fā)環(huán)境中，可以通過混合編程，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)。

1.混合編程開發(fā)平臺及編譯開發(fā)環(huán)境的選擇

Fortran語言沒有大小寫之分，而Windows平臺下的混合語言編程過程中大小寫問題十分突出?？紤]到編譯器的差異，可以用以下方式進(jìn)行跨平臺編程的函數(shù)聲明。C、C++編譯器使用MicrosoftVisualC++6.0編譯集成開發(fā)環(huán)境，F(xiàn)ortran編譯器使用DigitalVisualFortran6.0編譯集成開發(fā)環(huán)境。

VC++與FORTRAN的語言編譯器同出自微軟家族，且使用同一操作平臺，因此在它們兩者之間進(jìn)行混合編程是完全可以實(shí)現(xiàn)的，但是必須充分考慮兩種語言之間的接口問題，即在存儲模式、語言約定、數(shù)據(jù)處理以及例程單位等方面的一致性問題。

存儲模式的一致性。存儲模式是指編譯器應(yīng)遵循的某種規(guī)則，這種規(guī)則是把程序的代碼和數(shù)據(jù)裝入存儲器段中的一套預(yù)先制定的規(guī)則，它定義了編譯器將代碼和數(shù)據(jù)組織分段的方法，同時(shí)也規(guī)定了訪問每段中代碼和數(shù)據(jù)的尋址方法。一般來說PC機(jī)上有6種存儲模式：微小模式（Tiny）、小模式（Small）、中模式（Medi-um）、緊湊模式（Compact）、大模式（Large）、巨模式（Huge）。對FORTRAN一般用大模式，而VC++至少是緊湊模式以上，因?yàn)镕ORTRAN采用段間或遠(yuǎn)程傳址。

語言約定的一致性?；旌暇幊虝r(shí)，要注意調(diào)用程序與被調(diào)用程序遵守同樣的約定，不能發(fā)生沖突。這些約定包括命名約定、調(diào)用約定、參數(shù)傳遞約定和函數(shù)返回值約定。

命名約定，即在編程過程中相互匹配的標(biāo)識符應(yīng)保持一致。由于VC++語言嚴(yán)格區(qū)分大小寫，而FORTRAN中不存在大小寫問題，VC++中還存在類型說明及其它一些問題，如果命名約定在調(diào)用程序與被調(diào)用程序之間不一致，程序就不會成功地連接。FORTRAN的缺省方式使符號名在目標(biāo)文件中變成大寫，如果在VC++程序中調(diào)用一個(gè)使用FORTRAN缺省的FORTRAN子例程，在VC++中需用一個(gè)純大寫的名稱來生成一個(gè)調(diào)用;當(dāng)在VC++中用一個(gè)純小寫的名稱來生成一個(gè)調(diào)用時(shí)，在FORTRAN程序中需用C和STDCALL屬性將所有名稱轉(zhuǎn)換為純小寫的形式;在VC++中，當(dāng)一個(gè)調(diào)用例程的名稱以混合書寫形式出現(xiàn)的時(shí)候，需使用FORTRAN的ALIAS屬性來解決混合書寫形式之間的命名沖突。

調(diào)用約定，指語言實(shí)現(xiàn)調(diào)用的規(guī)則及方法。調(diào)用約定可以從三個(gè)方面影響程序設(shè)計(jì)：首先是調(diào)用例程利用調(diào)用約定決定傳遞給另一個(gè)例程的自變量的順序;其次是被調(diào)用的例程利用調(diào)用約定決定接收傳遞過來參數(shù)的順序;第三是所有涉及堆棧這樣一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)從椎棧中移去后，調(diào)用例程和被調(diào)用例程必須在調(diào)整堆棧的職責(zé)上取得一致。在VC++與FORTRAN語言混合編程時(shí)，兩者之間的函數(shù)調(diào)用一般采用C與STDCALL調(diào)用約定。

假設(shè)一個(gè)C語言函數(shù)為voidcFunction（），那么只需要在它的頭文件里面進(jìn)行如下定義即可。

#ifdef_cplusplus

extern/C0void{

#endif

externvoid_stdcallCFunction（）;

#definecFunctionCFUNCTION

#ifdef_cplusplus

}

#endif

這樣就可實(shí)現(xiàn)上述函數(shù)在Fortran或C++程序中的直接調(diào)用。

2.混合編程中的字符串處理

混合編程中經(jīng)常會出現(xiàn)需要傳遞字符串的情況，而字符串的傳遞是一個(gè)較為麻煩的問題。在Fortran里，字符串是沒有結(jié)束符的，但是有長度的概念，也就是說，編譯器會給每一個(gè)字符串一個(gè)長度以控制，在Windows平臺下用如下方法定義。

以C函數(shù)為例，定義如下。

voidmessag（char*msg1，int*where1，char*msg2，int*where2）

{

printf（/，，%sshouldbe%d，while%ssh-

ouldbe%d＼n0，msg1，*where1，msg2，where2）;

}

如果要在Fortran里調(diào)用的話，需要以下定義。

#ifdefinedULTRIX||SPARC||IRIS||LINUX||WIN32

#ifdefinedULTRIX||SPARC||IRIS||LINUX

externvoid_stdcallmessag（char*，int*，char*，int*，int，int）

#definemessag（s1，i1，s2，i2）messag_（s1，i1，s2，i2，strlen（s1），strlen（s2））

#else/*WIN32Platform*/

externvoid_stdcallmessag（char*，int，int*，char*，int，int*）

如果要用在C++中，需要如下定義。

#ifdef_cplusplus

extern/C0{

#endif

/*yourexterncode*/

#ifdef_cplusplus

}

#endif

Fortran里便可以直接調(diào)用如下。

CALLMESSAG（char1，i1，char2，i2）

同樣，在Fortran里寫的字符串處理函數(shù)使用以上的define和extern后，也可以在C里直接調(diào)用。

3.混合編程中的文件讀寫處理

文件讀寫也是混合編程中一個(gè)非常重要的問題，由于編程語言的差異，不同的編譯器的存儲格式也存在差異，如VisualFortran與DigitalFortran在存儲數(shù)據(jù)塊中還存在著差別。在一個(gè)write語句中，VisualFortran存儲數(shù)據(jù)塊的開始標(biāo)志與結(jié)束標(biāo)志是用一個(gè)字節(jié)表示，而在DigitalFortran是用一個(gè)整形數(shù)，即4個(gè)字節(jié)來表示。也就是說，VisualFortran一個(gè)數(shù)據(jù)塊最多可以存儲128個(gè)字節(jié)，如果一個(gè)write語句要求寫入的數(shù)據(jù)量大于128字節(jié)時(shí)，則按循環(huán)形式存入。所以，DigitalFortran在讀取時(shí)就應(yīng)該把它轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的DigitalFortran存儲形式。

4.混合編程過程中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理

主要體現(xiàn)在數(shù)組和結(jié)構(gòu)2個(gè)方面。在Fortran語言里，數(shù)組和C、C++里的數(shù)組有些不同，這表現(xiàn)在行列順序和數(shù)組起始值.Fortran語言不同于C、C++的行優(yōu)先，而使用列優(yōu)先的方式。假設(shè)有一個(gè)數(shù)組a，m行n列，采用行優(yōu)先時(shí)的數(shù)據(jù)存放格式如下。

a11，a12，a1n，a21，a22，，，a2n，，，

am1，am2，，，amn

而采用列優(yōu)先的數(shù)據(jù)存放格式如下。

a11，a21，，，am1，a12，a22，，，am2，，，a1n，a2n，，，amn

行優(yōu)先順序推廣到多維數(shù)組，規(guī)定為先排最右的下標(biāo);列優(yōu)先順序推廣到多維數(shù)組，規(guī)定為先排最左的下標(biāo)。這樣，在混合語言編程里調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)必須注意行列優(yōu)先的差別，進(jìn)行準(zhǔn)確地調(diào)用.數(shù)組的另一個(gè)差別是起始下標(biāo)的不同。Fortran默認(rèn)的數(shù)組下標(biāo)是以1開始的，而C、C++默認(rèn)的數(shù)組下標(biāo)卻是從0開始的，所以在調(diào)用時(shí)要注意加1或者減1，以保證調(diào)用到正確的數(shù)據(jù)。

Fortran語言里的結(jié)構(gòu)經(jīng)過聲明后就被分配了空間，在C、C++里面也要聲明它，采用下面的方式。

Fortran結(jié)構(gòu)聲明格式如下。

COMMON/COLOR7/C_RED，C_GREEN，C_BLUE

COMMON/NDDAT/NID（NASIZE），XN（3，NASIZE）

C、C++結(jié)構(gòu)聲明格式如下。

#ifdef_cplusplus

extern"C"{

#endif

#definecolor7COLOR7

#definenddatNDDAT

externstruct{floatc_red;floatc_green;floatc_blue;}color7;

externstruct{intnid[NASIZE];floatxn[NASIZE][3];}ndda;t

#ifdef_cplusplus

}

#endif

綜合上述問題的研究，混合編程的優(yōu)勢在于它允許調(diào)用另一種語言編寫的現(xiàn)有程序代碼、使用在特定語言環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)的算法和獲得處理速度方面的優(yōu)勢。在混合編程中的關(guān)鍵問題是協(xié)調(diào)2種或多種語言間所的調(diào)用約定、命名約定及參數(shù)傳遞方式，并使它們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型上保持一致。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：鄒倩倩（1986—），女，青海西寧人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，現(xiàn)供職于遼寧省氣象服務(wù)中心，研究方向：氣象電子。