Programmieren mit Fortran 90

In der Einleitung wird die Entwicklung der imperativen Programmiersprache FORTRAN kurzgefaßt dargestellt, wesentliche Merkmale der Sprache aufgezeigt und die Relation von Standard Fortran 90 und Standard FORTRAN 77 charakterisiert. Dabei wird deutlich, daß FORTRAN seine Bedeutung für die Programmierpraxis im Bereich numerischer, natur-, ingenieurwissenschaftlicher und technischer Anwendungen behauptet hat und mit dem Standard Fortran 90 den Vergleich mit anderen imperativen Programmiersprachen, beispielsweise in bezug auf dynamische Speicherbelegung, für sich entscheidet.

In Kapitel 2 werden einige Grundbegriffe eingeführt, wie Hauptprogramm, Programmeinheit, erweiterte alfanumerische Zeichenmenge, Zeichenkontext, Endsymbol (Terminalsymbol), Name, Anweisungsmarke, Schlüsselwort, FORTRAN Zeile, ausführbare und nicht ausführbare Anweisung. Ferner werden wesentliche Merkmale eines Hauptprogramms und von Quellcode in freier wie fester Form behandelt. Ausführbare wie nicht ausführbare Anweisungen werden in einer Übersicht zusammengefaßt. Grundlegende Regeln zur Reihenfolge von Anweisungen in einer Programmeinheit werden angegeben.

In Kapitel 3 wird zunächst das Konzept Datentyp vorgestellt. Die Begriffe Datentyp, Konstante, interner Datentyp, Typparameter und abgeleiteter Datentyp werden festgelegt. Die internen Datentypen werden in einer Übersicht zusammengefaßt. Explizite Typdeklaration wird eingeführt und am Beispiel des Datentyps CHARACTER behandelt. Weitere grundlegende Begriffe werden festgelegt, wie Datenobjekt, Attribut, benannte Konstante, Variable und Bestimmtheitsstatus einer Variablen. Ferner werden Grundlagen des Datentransfers und einführend Syntax und Semantik der beiden wichtigsten Anweisungen für den Datentransfer, der Anweisungen READ und WRITE, erörtert. Listengesteuerte Ein- und Ausgabe wird erläutert. Im Kontext Datentransfer werden weitere Begriffe festgelegt, insbesondere Datei-Einheit Verbindung, formatgebundener, formatfreier und Dateiende-Datensatz, sequentielle Datei, formatgebundene Datei, formatgebundene Ein- und Ausgabe sowie Konversion.

Wenn auch der FORTRAN Anwender vorrangig Algorithmen programmieren sowie Gleit- und Festpunktzahlen verarbeiten will, so sind doch tiefergehende Kenntnisse zu Operationen auf Dateien und zum Datentransfer Voraussetzung für effiziente und fehlerfreie Verarbeitung von Daten und eine ansprechende Gestaltung der Ausgabe. Mit der in Kapitel 3 eingeführten listengesteuerten Ein- und Ausgabe sind anspruchsvollere Anforderungen an Datentransfer und an die Darstellung von Ergebnissen der Datenverarbeitung nicht realisierbar, so daß auf weitere Varianten formatgebundener Ein- und Ausgabe einzugehen sein wird.

Einen thematischen Schwerpunkt des Kapitels 5 bildet die Verarbeitung von Festpunktzahlen im engeren Sinn. Der Datentyp INTEGER und der Typparameter KIND werden ausführlich behandelt. Merkmale der Konstanten und Variablen vom Datentyp INTEGER werden vorgestellt. Die Hierarchiestufen von Ausdrücken werden für die Stufe 0, die Primärausdrücke, bis zur Stufe 2, die numerischen Ausdrücke, entwickelt. Die numerischen Operatoren werden eingeführt, und die Prioritätsstufen in bezug auf ihre Auswertung übersichtlich zusammengestellt. Auf Spezifika von Rechnerarithmetik im Zusammenhang mit der Verarbeitung von Festpunktzahlen im engeren Sinn wird einführend eingegangen. Die interne numerische Zuweisungsanweisung und Zuweisungskompatibilität bei unterschiedlichen Werten des Typparameters KIND werden erörtert. Die interne numerische Zuweisungsanweisung wird im folgenden kurz als numerische Zuweisungsanweisung bezeichnet. Aus dem Spektrum der numerischen Datenfeldbeschreiber werden I- und Z-Formatbeschreiber behandelt. Wesentliche Begriffe, wie unäre und binäre numerische Operation, numerischer Ausdruck, mathematisch äquivalente numerische Ausdrücke und Initialisierungsausdruck werden festgelegt. Der Inhalt des Abschnitts 5.6 zur internen Darstellung von Festpunktzahlen dient dazu, den thematischen Schwerpunkt zu vertiefen.

Mit dem Datentyp INTEGER werden unter FORTRAN endliche Teilmengen der ganzen Zahlen zur Verfügung gestellt. Jedes Element einer solchen Teilmenge wird als Festpunktzahl bezeichnet. Der Datentyp REAL dient dazu, diese sehr begrenzte Menge verfügbarer Zahlen um mindestens zwei endliche Teilmengen der rationalen Zahlen zu erweitern. Ein Element jeder dieser Teilmengen heißt Gleitpunktzahl.

Bereits in Abschnitt 3.1 ist der Datentyp LOGICAL erwähnt worden, um an diesem Beispiel die charakterisierenden Merkmale eines internen Datentyps zu erläutern. In diesem Zusammenhang wurde angeführt, daß die Wertemengen zum Datentyp LOGICAL der Menge der Wahrheitswerte W₂ = {wahr,falsch} der zweiwertigen Logik entsprechen. Im Fall des Regeldatentyps LOGICAL wird der Wahrheitswert wahr durch das Endsymbol . TRUE . und der Wahrheitswert falsch durch das Endsymbol . FALSE . beschrieben. Weitere Einzelheiten werden in den Abschnitten 7.1 und 7.2 behandelt werden.

Das logische oder mathematische Modell einer Organisationsform von Daten wird als Datenstruktur bezeichnet. Als einfachste Datenstruktur gilt das Feld. Diese Datenstruktur läßt sich mathematisch als n-faches kartesisches Produkt einer Menge beschreiben. Die Aneinanderreihung von gleichartigen Komponenten, auf die über einen Index direkt zugegriffen wird, gilt als ein allgemeines Merkmal der Datenstruktur Feld. Über die Formulierung Aneinanderreihung wird miteinbezogen, daß im Fall von Datenstrukturen, die mit Hilfe des Konstruktors Aggregation aufgebaut werden, auch die Reihenfolge relevant sein kann, in der die Mengen angegeben werden, aus denen eine Datenstruktur aufgebaut wird.

Um das in Abschnitt 1.4 skizzierte Prinzip der (hierarchischen) Modularisierung im Zusammenhang mit dem Top-Down-Entwurf eines Softwaresystems nach Abschluß der Entwurfsphase auch adäquat bei der Implementierung der einzelnen Moduln umsetzen zu können, unterstützen imperative Programmiersprachen konzeptionell strukturiertes Programmieren. Dabei differieren sowohl die Sprachkonzepte der imperativen Programmiersprachen, die bei der Implementierung überwiegend eingesetzt werden, als auch die Realisierung dieser Sprachkonzepte nicht unerheblich.

Von einem standardkonformen Fortran 90 Compilersystem sind 113 Standardunterprogramme bereitzustellen. Diese Standardunterprogramme dienen dazu, den Programmierer bei der Entwicklung von standardkonformen Programmen nachhaltig zu unterstützen. Im folgenden werden diese 113 Standardfunktionen und Standardsubroutinen kurzgefaßt beschrieben. Die Standardunterprogramme werden in 4 Klassen eingeteilt, und zwar in die Klasse der elementweise auswertenden Unterprogramme, der Abfragefunktionen, der Transformationsfunktionen und der Standardsubroutinen, die keine elementweise auswertenden Standardsubroutinen sind.