Fortran 2003：FortranとCを友達に教える

Fortranは、長年にわたってデバッグおよび動作する膨大な量のコードを記述してきました。 「FortranとCのどちらが良いですか？」という質問をするつもりはありません。 各言語には長所と短所があります。 しかし、C言語が広範に普及していることを考えると、コードの一部がFortranで記述されている（むしろ、すでに記述されている）C言語の他の言語では、「ハイブリッド」アプリケーションのケースが特定のサークルでますます普及しています。しかし、これらの言語には特定の特異性があり、私がすでに部分的に話したこと 、および私たちによって書かれたアプリケーションが正しく機能したことについて、多くのニュアンスを考慮する必要があります。 データ型、呼び出し規則、命名規則の違いにより、混合言語アプリケーションを作成するタスクは簡単ではありません。 Fortran 2003が、CとFortran間の相互運用性の問題を解決するために特別に設計されたツールのセット全体を導入したことは良いことです。 ちなみに、私はそのような仕事を標準化する他の言語を覚えていません-Fortranが彼の「友情の手を差し伸べた」ために別の「プラス記号」

このオペラ間などは何ですか？ 「相互運用性」という用語は、Fortranコードで関数Cを呼び出す可能性、またはその逆を意味します。 さらに、グローバル変数を使用したり、Cで対応するローカル変数、データ構造、列挙を宣言したりできます。主な考え方は、すべてがCとFortranの両方で同じように機能することです。 Cは標準C99（ISO / IEC 9899：1999）を意味することに注意してください。 ところで、Fortranコンパイラの特定の実装には、どのCコンパイラをフレンドにするかを選択する権利があります。 Intel Fortanの場合、WindowsではMicrosoft Visual C ++、LinuxおよびOS Xではgccです。IntelC ++はどうですか？ Visual C ++およびgccと互換性があるため、問題はありません（これは予想されることです）。

Fortranは、次の方法で同じ相互運用性のサポートを実装します。

• 相互運用可能なデータ型の制限
• BIND構築（C）
• ISO_C_BINDINGモジュール
• 属性値

「混合」アプリケーションを開発する際の主な困難の1つは、CとFortranの型が異なることです。ポインターの概念、文字列の操作、関数へのポインターなどです。 そして、基本的なタイプではそれほど単純ではありません。 Cにはshort intからlong long intまでの型があるとしましょう。 Fortranには類似物がある場合とない場合があります。
このすべてをうまく機能させるために、これらの言語の「友情」を担当するモジュールISO_C_BINDINGがFortranに追加されました。 何がありますか？ Fortranのデータ型がCコードでの作業に対して「正しい」ことを確認できるツールのセット。
たとえば、 int型の場合、FortranでINTEGER型（C_INT）を使用でき、 C_INTはISO_C_BINDINGモジュールで定義されます。 インテルFortranの場合、INTEGERは4バイト長ですが、他の実装では事実ではありません。 名前付き定数を使用すると、移植性が保証されます。

Fortranアプリケーションで使用できるCオブジェクトは次のとおりです。

• 数値型：整数、浮動小数点、複素数
• 論理型（FortranにはLOGICAL型があります）
• 行
• 構造
• ポインタ
• 配列
• グローバル変数
• 機能

同時に、Fortran型は古いままですが、相互運用可能なパラメーターKINDとモジュールの定数を使用して変更します。 これは、タイプCとFortran間の一種の「リンク」として機能します。 タイプ間の対応は、次の表に記載されています。

Fortranタイプ	KINDパラメーター	タイプC
整数	C_int	int 署名されたint
	C_SHORT	短整数 署名された短整数
	C_LONG	長整数型 符号付きlong int
	C_LONG_LONG	long long int 署名されたlong long int
	C_SIGNED_CHAR	署名された文字 符号なし文字
	C_SIZE_T	size_t
実	C_FLOAT	浮く
	C_DOUBLE	ダブル
	C_LONG_DOUBLE	ロングダブル
複雑な	C_COMPLEX	_Complex
	C_DOUBLE_COMPLEX	double _Complex
	C_LONG_DOUBLE_COMPLEX	long double _Complex
ロジカル	C_BOOL	_Bool
チャーター	C_char	チャー

Fortranでは、 unsigned int型はサポートされていません。
もう1つの機能は、CおよびFortranではブール型がtrue / falseに設定されることです。
Cがfalseに0を使用し、trueに0以外の数値を使用する場合、Fortranでは偶数はfalseで、奇数はtrueです。
Cのようにルールを変更する-fpscomp logicalsオプション（/ fpscomp：Windowsのlogicals）を使用することを忘れないでください。
ちなみに、-standard-semanticsオプション（Windowsの場合は/ standard-semantics）を使用すると、暗黙的に接続されます。Fortran2003標準を使用する場合は非常に推奨されるオプションです。

次に、例ですべてがどのように機能するかを見てみましょう。 Fortranで書く場合

INTEGER(KIND=C_LONG) :: I 

KIND = C_LONGを使用することにより、変数がCコードで使用されたときに型に問題が発生しないことが保証され、 そこで変数は long int型（ネームプレートによる）になります。 組み込み型を使用すると、すべてがシンプルになります。プレート内のKINDと帽子内の物に適した定数を探しています。 ところで、この機能はすべてモジュールとして利用できるため、 USEキーワードを使用して接続する必要があります。

 USE, INTRINSIC :: ISO_C_BINDING 

したがって、モジュールの型のすべての定数が使用可能になります。 名前空間を詰まらせないために、たとえば次のように、実際に使用するタイプのみにスコープを制限することをお勧めします。

 USE, INTRINSIC :: ISO_C_BINDING, ONLY C_LONG 

型自体の他に、対応する名前がオブジェクトCであることをFortranコンパイラーに伝えるBINDコンストラクト（モジュールの一部ではなく、Fortran 2003標準の一部）もあります。さらに、これは明示的および暗黙的に実行できます。 たとえば、Cにはそのようなグローバル変数があります。

 int a_int; long b_long; 

そして、Fortranコード、たとえばモジュールでそれらを正しく使用したいのです。

 MODULE TEST_BINDING USE ISO_C_BINDING !  binding A_INT  a_int INTEGER(C_INT), BIND(C) :: A_INT !  binding B  b_long INTEGER(C_LONG) :: B BIND(C, NAME=' b_long ') :: B END MODULE TEST_BINDING 

このような「束」はオブジェクトに必要です。 この例では、Cで作成された同じグローバル変数を使用してFortranコードで作業できます。たとえば、何らかの機能がある場合、

 Cfunc(float a1, double a2); 

次に、そのようなデータを引数として使用できます。BINDを実行する必要はありません。

 REAL(C_FLOAT) :: A1 COMPLEX(C_DOUBLE) :: A2 

FortranとCの問題の1つは、文字列を操作するときの違いでした。 したがって、そのような関数に文字列を渡すことができるようにするには：

 void copy(char in[], char out[]); 

KIND = C_CHARおよび行終了文字C_NULL_CHAR （Fortranのアナログ\ 0 ）を使用する必要があります。

 CHARACTER(LEN=10, KIND=C_CHAR) :: DIGIT_STRING = C_CHAR '123456789' // C_NULL_CHAR CHARACTER(KIND=C_CHAR) :: DIGIT_ARR(10) 

また、Fortranの製品ラインは、Cとの「友だち」になります。関数に安全に渡すことができます。
ただし、関数はCの対応する関数と何らかの方法で接続する必要もあります。これは、Fortranでインターフェイスを使用して行われます。

 INTERFACE SUBROUTINE COPY(IN, OUT), BIND(C) USE ISO_C_BINDING CHAR(KIND=C_CHAR), DIMENSION(*) :: IN, OUT END SUBROUTINE COPY END INTERFACE 

そして今、私たちは安全に書くことができます

 CALL COPY(DIGIT_STRING, DIGIT_ARR) 

最も興味深いのは、ポインターを操作することです。 引数としてポインターを持つ関数の場合

 short func(double *a; int *b; int c[10]; void *d) 

Fortranでは次の変数を使用できます。

 REAL(C_DOUBLE) :: A ! A  *,         INTEGER(C_INT) :: B, V(10) ! B    *b  c[] TYPE(C_PTR), VALUE :: D !D  *d,      void* 

ポインターのKINDパラメーターがあるという事実に加えて、たとえば、「ヌル」ポインターC_NULL_PTR -Cからのヌルの類似物など、いくつかの追加機能があります。特別な関数もあります。

C_F_POINTERは、FortranポインターをオブジェクトCに関連付けます。この関数の構文は次のとおりです。

 CALL C_F_POINTER( CPTR, FPTR [,SHAPE] ) TYPE(C_PTR), INTENT(IN) :: CPTR <type_spec>, POINTER, INTENT(OUT) :: FPTR INTEGER, INTENT(IN), OPTIONAL :: SHAPE 

CPTRへの入力引数として、Cのオブジェクトへのポインターを渡します;出力には、このオブジェクトへのFortranポインターFPTRがあります。

C_LOCは、オブジェクトCまたはFortranのアドレスを返します。

 C_ADDRESS = C_LOC(OBJECT) 

C_ASSOCIATEDは、ポインターがnullかどうか、およびオブジェクトCに関連付けられているかどうかを確認します。

派生型も脇にありませんでした。 たとえば、このようなctype構造

 typedef struct { int a, b; float c; } ctype; 

タイプFTYPEで動作します：

 TYPE, BIND(C) :: FTYPE INTEGER(C_INT) :: A, B REAL(C_FLOAT) :: C END TYPE FTYPE 

もちろん、投稿のフレームワーク内で標準の詳細をすべて詳細に説明することはできませんが、この目標を設定しませんでしたが、この全体がどのように機能するかについて明らかにします。 さて、現実に近い最後の例は、 ISO_C_BINDINGモジュールを使用してFortranとCの両方から関数を呼び出す方法を示しています。
C関数を呼び出すFortranの例から始めましょう。

 int C_Library_Function(void* sendbuf, int sendcount, int *recvcounts); 

したがって、必要なKINDパラメーターを使用してインターフェースを作成します。

 MODULE FTN_C_2 INTERFACE INTEGER (C_INT) FUNCTION C_LIBRARY_FUNCTION (SENDBUF, SENDCOUNT, RECVCOUNTS) BIND(C, NAME='C_LIBRARY_FUNCTION') USE, INTRINSIC :: ISO_C_BINDING IMPLICIT NONE TYPE (C_PTR), VALUE :: SENDBUF INTEGER (C_INT), VALUE :: SENDCOUNT TYPE (C_PTR), VALUE :: RECVCOUNTS END FUNCTION C_LIBRARY_FUNCTION END INTERFACE END MODULE FTN_C_2 

そして今、関数呼び出しが直接：

 USE, INTRINSIC :: ISO_C_BINDING, ONLY: C_INT, C_FLOAT, C_LOC USE FTN_C_2 ... REAL (C_FLOAT), TARGET :: SEND(100) INTEGER (C_INT) :: SENDCOUNT INTEGER (C_INT), ALLOCATABLE, TARGET :: RECVCOUNTS(100) ... ALLOCATE( RECVCOUNTS(100) ) ... CALL C_LIBRARY_FUNCTION(C_LOC(SEND), SENDCOUNT, C_LOC(RECVCOUNTS)) ... 

また、名前またはデータ型のいずれにも問題はありません。
逆に、Fortran関数を呼び出すタスク（非常に一般的なタスク）がある場合、このモジュールは問題の解決にも役立ちます。 シミュレーション機能がある場合：

 SUBROUTINE SIMULATION(ALPHA, BETA, GAMMA, DELTA, ARRAYS) BIND(C) USE, INTRINSIC :: ISO_C_BINDING IMPLICIT NONE INTEGER (C_LONG), VALUE :: ALPHA REAL (C_DOUBLE), INTENT(INOUT) :: BETA INTEGER (C_LONG), INTENT(OUT) :: GAMMA REAL (C_DOUBLE),DIMENSION(*),INTENT(IN) :: DELTA TYPE, BIND(C) :: PASS INTEGER (C_INT) :: LENC, LENF TYPE (C_PTR) :: C, F END TYPE PASS TYPE (PASS), INTENT(INOUT) :: ARRAYS REAL (C_FLOAT), ALLOCATABLE, TARGET, SAVE :: ETA(:) REAL (C_FLOAT), POINTER :: C_ARRAY(:) ... !  C_ARRAY  ,   C CALL C_F_POINTER (ARRAYS%C, C_ARRAY, (/ARRAYS%LENC/) ) ... !           ARRAYS%LENF = 100 ALLOCATE (ETA(ARRAYS%LENF)) ARRAYS%F = C_LOC(ETA) ... END SUBROUTINE SIMULATION 

Cで構造を宣言します。

 struct pass {int lenc, lenf; float *c, *f;}; 

そして機能：

 void simulation(long alpha, double *beta, long *gamma, double delta[], struct pass *arrays); 

そして、安全に彼女に電話することができます：

 simulation(alpha, &beta, &gamma, delta, &arrays); 

以上です。 新しい標準のこの機能を使用すると、多くの開発者が多数の問題を回避できるようになり、FortranとCはこれまで以上に使いやすくなると思います。