FORTRAN 77 — strukturiert

Computer sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Wir begegnen ihnen überall - sei es am Arbeitsplatz oder zu Hause, im Fernsehen oder bei der Buchung des lang ersehnten Urlaubs. Dies deutet die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Computers in Wissenschaft, Technik, Wirtschaft und Verwaltung bis hin zum privaten Gebrauch an. Um die „Fähigkeiten“ eines Computers nutzen zu können, muß man ihm mitteilen, welche Aufgaben er lösen soll. Dies geschieht mit Hilfe von Programmen. Ein Programm ist eine detaillierte „Arbeitsanleitung“ für einen Computer, die ihm sagt, was im einzelnen zu tun ist, um eine bestimmte Aufgabe zu erledigen. Diese Angaben müssen so formuliert sein, daß der Computer sie „verstehen“ kann. Hierfür benutzt man Programmiersprachen, von denen es mittlerweile eine große Zahl gibt. Sie weisen aufgrund unterschiedlicher Entstehungsdaten und Konzepte verschiedenartige Strukturen auf. Daher sind nicht alle Programmiersprachen für alle Aufgaben gleichermaßen gut geeignet. In diesem Buch soll FORTRAN 77 dargestellt werden. Dies ist eine weitverbreitete Programmiersprache, die sowohl im naturwissenschaftlich-technischen als auch im kommerziellen Bereich genutzt wird.

Um einen ersten Eindruck von FORTRAN zu bekommen (mit FORTRAN ist im folgenden, wenn nichts anderes gesagt wird, stets FORTRAN 77 gemeint), betrachten wir in diesem Kapitel ein einfaches FORTRAN-Programm. Das zugrundeliegende Problem wird in 2.1 beschrieben und das Programm in 2.2 angegeben. Außerdem wird gezeigt (Kap. 2.3), wie man dieses Programm in den Computer eingeben kann, urn es ausführen zu lassen.

Ein FORTRAN-Programm besteht aus einzelnen Anweisungen, wie sie uns schon in Kapitel 2 begegneten. In den folgenden Kapiteln wollen wir angeben, welche Anweisungen es in FORTRAN gibt, wie sie genau aussehen und was sie bedeuten. Hierzu benötigen wir einige elementare Begriffe, die für alles Weitere von Bedeutung sind. Sie werden in diesem Kapitel behandelt.

In diesem Kapitel werden einige einfache und grundlegende Anweisungen von FORTRAN angegeben. Mit ihnen lassen sich bereits die ersten vollständigen Programme schreiben. Damit soll ein Anfänger die Möglichkeit erhalten, möglichst rasch die ersten Schritte im Erstellen von Programmen zu tun. Solchen Lesern, die bereits Erfahrungen im Programmieren haben und die die Sprache FORTRAN kennenlernen wollen, wird die Lektüre dieses Kapitels ebenfalls empfohlen, da es grundlegende FORTRAN-Anweisungen enthält. Außerdem wird immer wieder auf spätere Kapitel verwiesen, in denen man weiterführende Ergänzungen findet.

Die Ablaufstruktur eines Programms bzw. Algorithmus gibt an, in welcher Reihenfolge die Anweisungen ausgeführt werden. In den bisherigen Programmbeispielen war dies immer eine Sequenz gewesen: Die Anweisungen werden in der Reihenfolge ausgeführt, in der sie dastehen. In vielen Fällen reicht dies aber nicht aus. Bereits bei den Alltagsalgorithmen in Kapitel 1.2 begegnete uns die Alternative. Und die Notwendigkeit einer Wiederholung wird etwa bei dem Programm GEO 1 in Kapitel 4.7 deutlich. Will man hier die Distanz für mehrere Punktepaare ermitteln, so muß man dazu jedesmal das Programm neu starten. Angenehmer wäre es, wenn eine solche Wiederholung durch das Programm selbst gesteuert würde.

Bisher stand vor allem die Frage nach der Entwicklung eines Programms im Vordergrund: Welche Anweisungen gibt es, und wie kann man geeignete Ablaufstrukturen realisieren? Die verwendeten Daten spielten dabei eine eher untergeordnete Rolle; meistens waren es einzelne REAL- oder INTEGER-Zahlen. Es gibt aber auch den Fall, daß große Datenmengen zu bearbeiten sind, etwa bei der statistischen Auswertung einer Meßreihe oder bei der Lösung eines linearen Gleichungssystems. Häufig sind dabei die Daten in einer bestimmten Weise strukturiert, wie z. B. die Koeffizientenmatrix des Gleichungssystems oder die zu einem Vektor zusammengefaßten Werte der Meßreihe.

Unterprogramme benutzt man aus zwei Gründen. Zum einen gestatten sie, einen Programmteil, der an verschiedenen Stellen des Programms benötigt wird, einmal zu erstellen und dann bei Bedarf aufzurufen und zu aktivieren. Hier dienen Unterprogramme der Ökonomie beim Programmieren. Kapitel 7.1 führt diesen Aspekt genauer aus. Zum anderen kann man Unterprogramme auch dazu verwenden, das gesamte Programm zu gliedern und es in kleinere, überschaubare Einheiten aufzuteilen, die weitgehend unabhängig voneinander sind. Dabei steht weniger der ökonomische Aspekt als vielmehr die Übersichtlichkeit und Verständlichkeit eines Programms im Vordergrund. Damit befaßt sich Kapitel 7.7. Kapitel 7.2 bringt einen Überblick über die verschiedenen Formen von Unterprogrammen, die es in FORTRAN gibt; sie werden in 7.3 und 7.4 genauer beschrieben. Kapitel 7.5 behandelt Anweisungsfunktionen und Kapitel 7.6 bringt 2013 ergänzend zu Kapitel 3.8 — nähere Angaben zu Standardfunktionen.

Bis jetzt benutzten wir nur die Datentypen INTEGER und REAL. In vielen Fällen reicht dies auch aus. Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen man noch weitere Datentypen mit Vorteil verwenden könnte, z. B. bei numerischen Berechnungen, für die eine höhere Genauigkeit notwendig ist, als REAL sie bietet, oder in der Elektrotechnik, wo sich verschiedene Probleme bequemer behandeln lassen, wenn man dabei komplexe Zahlen verwenden kann.

Zum Formulieren von Algorithmen und Programmen benötigt man als Ablaufstrukturen neben der Sequenz auch die Alternative und die Wiederholung. Sie wurden in Kapitel 5 behandelt. Im folgenden werden einige Ergänzungen bzw. Modifikationen dieser Strukturen angegeben, die man verschiedentlich mit Vorteil verwenden kann. Hierzu gehört die Fallunterscheidung (Kap. 9.1), eine Erweiterung der Alternative, bei der man die Wahl zwischen mehr als nur zwei Möglichkeiten hat, sowie einige weitere Formen der Wiederholung (WHILE- und UNTIL- Schleife, Kap. 9.4). Für die Realisierung dieser Strukturen benötigt man die FORTRAN-Elemente IF, THEN, ELSE, ELSE IF und END IF. Sie gehören zu den Block-IF-Strukturen, welche Gegenstand der Kapitel 9.2 und 9.3 sind. Abschließend befaßt sich 9.5 noch mit einigen weiteren Steueranweisungen von FORTRAN, von deren Benutzung aber abgeraten wird. Ihre Angabe erfolgt nur, um den Leser in die Lage zu versetzen, im Bedarfsfall diese Anweisungen in bestehenden Programmen zu verstehen und gegebenenfalls ändern zu können.

Mit den bis jetzt behandelten Ein-/Ausgabeanweisungen, wie READ* oder PRINT*, können Daten nur über ganz bestimmte „Standardgeräte“ ein- und ausgegeben werden : über Tastatur bzw. Lochkartenleser (Eingabe) sowie über Bildschirm bzw. Schnelldrucker (Ausgabe). Verschiedentlich braucht man aber auch andere Geräte, wenn etwa die Daten von Lochstreifen zu lesen sind oder wenn eine Ausgabe auf Diskette gewünscht ist. Für solche Fälle gibt es ebenfalls entsprechende Anweisungen in FORTRAN. Wir behandeln sie in diesem und im nächsten Kapitel. Dabei stehen in Kapitel 10 die Ein- und Ausgabeanweisungen im Vordergrund : wie man mit ihnen Daten ein- und ausgibt und welche verschiedenen Möglichkeiten sie in sich bergen. Kapitel 11 befaßt sich dann mit Dateien: Wie man Daten in einer Datei speichern kann und wie die zugehörigen Ein- und Ausgabeanweisungen aussehen.

Dateien dienen zur Speicherung von Daten. Ihre besondere Bedeutung liegt darin, daß sie eine langfristige Datenhaltung gestatten. Diese ist dann vonnöten, wenn ein Programm bei wiederholter Ausführung auf dieselben Daten zugreifen soll. So etwas gibt es in der elektronischen Datenverarbeitung auf den unterschiedlichsten Gebieten :

Dieses Kapitel bringt abschließend noch einige Sprachelemente von FORTRAN. Es sind dies z. T. Ergänzungen zu früheren Ausführungen, die man ebenfalls mit Vorteil verwenden kann, z. T. aber auch solche Elemente, von deren Gebrauch abzuraten ist, die jedoch der Vollständigkeit halber angegeben werden. Kapitel 12.1 befaßt sich mit internen Dateien. Wie schon in Kapitel 11 angedeutet, sind dies keine Dateien im bisherigen Sinn, sondern eine Konstruktion der Sprache FORTRAN, die eine elegante Möglichkeit bietet, Daten von einer Form in eine andere zu wandeln. So kann man z. B. Ziffern in die entsprechenden CHARACTER-Zeichen überführen oder Zeichenfolgen auf verschiedene Art manipulieren. Bei der Anweisung EQUIVALENCE in Kapitel 12.2 geht es um den Zugriff auf denselben Speicherinhalt unter verschiedenen Namen. Dies bedeutet beispielsweise, daß zwei verschiedene Variablen denselben Speicherplatz gemeinsam nutzen. Diese Anweisung hatte früher eine gewisse Berechtigung gehabt - heute kann man vor ihrer Anwendung nur warnen, da sie zu heimtückischen Fehlern im Programm führen kann. Die in Kapitel 12.3 behandelte Anweisung COMMON ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Daten durch verschiedene Programmeinheiten. Dies kann eine wertvolle Ergänzung zur Übergabe von Parametern an Unterprogramme sein, jedoch nur bei äußerst vorsichtiger und disziplinierter Handhabung, da sonst leicht unerwünschte Effekte auftreten können.