【Fortran数组编程高级教程】：从77到2008的演进


# 摘要
Fortran语言作为一种数值计算的高级编程语言，其数组编程功能历经多年发展，从Fortran 77的基础数组操作到Fortran 2003的数组扩展，再到Fortran 2008的数组革命，逐步增强了语言的数组处理能力。本文首先概述了Fortran数组编程的基础知识，然后详细探讨了Fortran 77、2003和2008版本中数组编程的演变，包括数组的定义、操作、并行处理以及高级特性的介绍。此外，本文还探讨了数组编程的未来展望，特别是在量子计算和高性能计算领域的潜在应用，以及数组编程在多学科融合中的发展方向。

# 关键字
Fortran；数组编程；并行处理；量子计算；高性能计算；跨学科应用

参考资源链接：[Fortran77与Fortran90的区别及基本程序结构](https://wenku.csdn.net/doc/5ho0ygnio6?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Fortran数组编程概述

Fortran数组编程是科学计算的核心之一，它不仅提高了计算效率，还增强了程序的可读性和可维护性。在本章中，我们将探索数组如何在Fortran中被定义、声明、操作，并讨论其在算法应用中的重要性。

## 数组的基础概念

数组是一种数据结构，能够存储一系列相同类型的数据元素。在Fortran中，数组是高效进行科学计算不可或缺的工具，它使得复杂的数据操作和计算变得更加简洁明了。

## 数组在Fortran中的作用

数组在Fortran语言中的使用大大简化了涉及大量数据操作的科学和工程计算问题。通过使用数组，开发者可以轻松地执行并行运算、矩阵计算、线性代数运算等任务，这些是科学研究中的常见需求。

在后续章节中，我们将详细探讨数组在不同版本的Fortran中的具体特性、操作方法以及优化技巧。通过具体的编程实例，我们将演示如何高效地利用Fortran数组编程来解决实际问题。

# 2. Fortran 77的数组基础

## 2.1 数组的定义和声明
### 2.1.1 一维数组和多维数组的声明

在Fortran 77中，声明数组是一个直接而明确的过程。数组类型可以根据数据类型声明，例如整型（INTEGER）、实型（REAL）、双精度实型（DOUBLE PRECISION）等。一维数组通过给出数组名和其大小即可声明，多维数组则需要指定每个维度的大小。

INTEGER :: one_d_array(10)  ! 一维数组，大小为10
REAL :: two_d_array(5, 5)  ! 二维数组，大小为5x5

在声明数组时，应确保数组大小不要超过其数据类型能表示的最大值。例如，上述的一维数组`one_d_array`可以存储从1到10的整数索引，而`two_d_array`则可以访问到5x5共25个元素。

### 2.1.2 数组的初始化和类型规定

初始化数组是一种良好的编程实践，Fortran提供了简洁的方式来完成这一任务。可以在声明的同时直接指定数组的初始值。

INTEGER :: one_d_array(5) = (/1, 2, 3, 4, 5/)
REAL :: two_d_array(3, 2) = RESHAPE((/1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5, 6.6/), (/3, 2/))

在上述例子中，`one_d_array`被初始化为一个简单递增的整数序列，而`two_d_array`则被初始化为一个3x2的二维数组，其中的值是线性排列的实数序列。使用`RESHAPE`函数可以将一维数组转换成指定形状的多维数组。数组类型的规定至关重要，因为Fortran是一种静态类型语言，这意味着在程序编译时，每个变量的类型都必须确定。

## 2.2 Fortran 77数组操作
### 2.2.1 基本数组运算和赋值

数组在Fortran 77中不仅可以存储数据，还可以直接进行各种运算，运算遵循向量化的原则，即单个操作应用于所有数组元素。比如，你可以简单地对数组的所有元素执行加法运算。

INTEGER :: a(10), b(10), c(10)

a = (/ (i, i=1, 10) /)  ! 初始化数组a为1到10
b = 2 * a               ! 将数组a中的每个元素乘以2，并赋值给b
c = a + b               ! 将数组a和b的对应元素相加，结果赋给c

PRINT *, c              ! 输出数组c的内容

在上面的代码示例中，数组`a`被初始化为包含1到10的序列。之后，数组`b`接收`a`的两倍，而数组`c`则得到`a`与`b`的逐元素求和结果。

### 2.2.2 数组切片和步长操作

Fortran 77支持数组切片和步长操作，这允许程序员访问或操作数组的一部分。数组切片通过指定起始索引、结束索引和（可选的）步长来进行。

REAL :: a(10)

a = (/ (i * 0.5, i=1, 10) /)  ! 初始化数组a为0.5到5.0
PRINT *, a(1:10:2)            ! 输出数组a的第1, 3, 5, 7, 9元素

以上代码段创建了一个包含0.5到5.0的数组，并通过切片`a(1:10:2)`打印出数组中每隔一个元素的值，即1, 3, 5, 7, 9位置的元素。

## 2.3 Fortran 77的数组应用实例
### 2.3.1 数组排序算法的应用

数组排序算法在科学计算中经常被使用，Fortran 77 提供了基础的数组操作来实现这些算法。下面是一个简单的冒泡排序算法的实现，展示了数组排序的基本思路。

SUBROUTINE BubbleSort(arr)
    INTEGER :: arr(10), i, j, temp
    DO i = 1, 9
        DO j = 1, 10 - i
            IF(arr(j) > arr(j + 1)) THEN
                temp = arr(j)
                arr(j) = arr(j + 1)
                arr(j + 1) = temp
            END IF
        END DO
    END DO
END SUBROUTINE BubbleSort

PROGRAM test
    INTEGER :: a(10) = (/ 5, 3, 2, 4, 1, 10, 6, 8, 9, 7 /)
    CALL BubbleSort(a)
    PRINT *, a
END PROGRAM test

上述程序首先定义了一个名为`BubbleSort`的子程序，它使用传统的冒泡排序算法对数组进行排序。然后，在主程序中声明并初始化一个数组`a`，调用`BubbleSort`对其元素进行排序，并打印排序后的结果。

### 2.3.2 线性代数运算中的数组使用

Fortran在数值线性代数运算中表现出色，由于数组操作的简便性，可以很容易地实现矩阵运算。例如，下面的代码展示了如何使用数组进行简单的矩阵乘法。

SUBROUTINE MatrixMultiply(A, B, C, m, n, p)
    ! A(m, n), B(n, p), C(m, p)
    INTEGER :: m, n, p
    REAL, DIMENSION(m, n) :: A
    REAL, DIMENSION(n, p) :: B
    REAL, DIMENSION(m, p) :: C

    C = MATMUL(A, B)
END SUBROUTINE MatrixMultiply

PROGRAM matrix_test
    INTEGER, PARAMETER :: m = 2, n = 3, p = 2
    REAL :: A(m, n) = RESHAPE(