科學(xué)計(jì)算編程中的Fortran.doc

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1、科學(xué)計(jì)算編程中的Fortran與C++之爭(zhēng)自從有了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，“哪種編程語(yǔ)言好”就成為了亙古不變的話題。這個(gè)問(wèn)題一經(jīng)提出，必然會(huì)招來(lái)一場(chǎng)巨大的口水仗。作者曾經(jīng)在某些論壇上提出了類似“Fortran和C++那個(gè)用的多”之類的問(wèn)題，回帖全部達(dá)幾十個(gè)以上，各種意見(jiàn)針?shù)h相對(duì)，猶如Fortran和C++信徒之間的“圣戰(zhàn)”一般好看。有很多人曾經(jīng)請(qǐng)C++語(yǔ)言之父BjarneStroustrup做一個(gè)C++與其它編程語(yǔ)言的比較，而Stroustrup明確的拒絕了。他指出，從技術(shù)上講，一個(gè)所謂的“公平”的比較將會(huì)

2、涉及到大量的技術(shù)，這是一個(gè)工作量巨大的任務(wù)，絕對(duì)不是簡(jiǎn)單的用C++和其它語(yǔ)言寫同一段代碼然后比較其運(yùn)行時(shí)間就能完成的。這種比較涉及到具體的應(yīng)用領(lǐng)域和用戶需求，所處理的信息類型，編譯器的質(zhì)量（不同語(yǔ)言的編譯器開(kāi)發(fā)的投入是有相當(dāng)大差別的），程序員的水平與“偏好”，編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)（如究竟是C++97與Fortran90比較，還是應(yīng)該C++0x與Fortran2003比較？）等等。他甚至認(rèn)為，這種比較是“rarelymeaningful”的[1]。因此，今天作者也不打算為某種編程語(yǔ)言搖旗吶喊，而是僅就科學(xué)

3、計(jì)算編程領(lǐng)域，特別是，限于作者專業(yè)即量子化學(xué)和分子模擬，來(lái)談一談兩大“主流”編程語(yǔ)言：Fortran和C++的在理論化學(xué)界的應(yīng)用歷史，以及某些人（包括作者）對(duì)它們的看法。1Fortran的美好時(shí)代毋庸置疑，1957年出現(xiàn)的Fortran是世界上第一個(gè)高級(jí)編程語(yǔ)言。它的出現(xiàn)，大大降低了普通科研人員學(xué)習(xí)編程的門檻，而且增強(qiáng)了代碼的可移植性。在此之前，人們都是用機(jī)器語(yǔ)言直接書寫程序，這種語(yǔ)言對(duì)于一般人而言難度太大了，而且是與運(yùn)行機(jī)器相關(guān)，因此很難寫出高效且具有可移植性的程序。例如，Roothaan在研究

4、原子自洽場(chǎng)的計(jì)算時(shí)專門為IBM7030數(shù)字計(jì)算機(jī)寫了一些程序，這些程序用來(lái)優(yōu)化Slater基組已經(jīng)10多年了。不幸的是，由于該程序是完全使用IBM的機(jī)器語(yǔ)言所書寫，因此在20世紀(jì)60年代，當(dāng)這種機(jī)器逐漸消失時(shí)，這些程序逐漸成為了廢品。意識(shí)到這個(gè)資源的重要性，Clementi及其同事決定把這些程序用Fortran全部重寫，并且增加了處理Gauss基組的功能[2]。這段代碼從此復(fù)活，成為了量子化學(xué)程序庫(kù)中一個(gè)重要部分。Fortran語(yǔ)言的重要性從此被理論化學(xué)家所知。它的優(yōu)點(diǎn)幾乎數(shù)不勝數(shù)。首先，它的語(yǔ)法

5、簡(jiǎn)單，任何一個(gè)理論化學(xué)的研究生幾乎一天就能學(xué)會(huì)，可以迅速用它開(kāi)展工作；其次，它的運(yùn)行效率極高，不要說(shuō)現(xiàn)代編譯器（如GNUFortran或intelFortran編譯器），就是世界上第一個(gè)Fortran編譯器都可以將其每一語(yǔ)句都翻譯成幾乎沒(méi)有冗余的、效率至少不低于手寫的機(jī)器碼；第三，F(xiàn)ortran代碼具有可移植性，與機(jī)器無(wú)關(guān)。很快，在20世紀(jì)70～80年代，一批批量子化學(xué)程序如雨后春筍般出現(xiàn)，如早期的Gaussian，Polyatom，以及后來(lái)的GAMESS，NWChem等等，幾乎全部都是由Fort

6、ran77編寫的。Fortran77在量子化學(xué)領(lǐng)域絕對(duì)是功不可沒(méi)，它為普及和發(fā)展量子化學(xué)做出了巨大的貢獻(xiàn)。那個(gè)時(shí)代，F(xiàn)ortran77是很多自然科學(xué)研究生的必修課。自此，F(xiàn)ortran成為了數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域的“主流”語(yǔ)言。2C語(yǔ)言的崛起20實(shí)際70年代，C語(yǔ)言逐漸崛起。這個(gè)語(yǔ)言是為了編寫Unix操作系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的。很快，這種“半?yún)R編”性質(zhì)的高級(jí)語(yǔ)言，由于其具有極其靈活的控制機(jī)器的能力而深受計(jì)算機(jī)專業(yè)人士的喜愛(ài)。不過(guò)，由于其學(xué)習(xí)難度較之Fortran稍高，而量子化學(xué)以純粹數(shù)值計(jì)算為主，F(xiàn)ortran足以滿

7、足要求，因此C在量子化學(xué)領(lǐng)域沒(méi)有什么明顯優(yōu)勢(shì)，因此大多數(shù)量子化學(xué)家對(duì)其不感興趣。此時(shí)，C和Fortran處于“井水不犯河水”的狀態(tài)。而80年代左右，分子模擬科學(xué)開(kāi)始發(fā)展。由于分子模擬的流程相對(duì)復(fù)雜，F(xiàn)ortran77語(yǔ)言在實(shí)現(xiàn)某些功能時(shí)稍顯繁瑣，如對(duì)某些配置文件進(jìn)行語(yǔ)法分析，一些模式識(shí)別和人工智能過(guò)程等等，此時(shí)C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始顯露，大量分子模擬領(lǐng)域的研究組開(kāi)始用C開(kāi)發(fā)程序，如分子對(duì)接軟件Autodock等等。Fortran壟斷地位的打破，表明理論化學(xué)領(lǐng)域編程語(yǔ)言之戰(zhàn)的種子已經(jīng)悄然的埋下。3理論化學(xué)

8、軟件開(kāi)發(fā)的瓶頸在任何軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域（學(xué)術(shù)界還是商業(yè)界），前人留下的代碼庫(kù)都是無(wú)比寶貴的財(cái)富。因?yàn)闊o(wú)論程序員的水平有多高，代碼畢竟是一個(gè)字一個(gè)字的敲進(jìn)去的。比如矩陣乘法這種通用的操作都需要每次重新寫，那會(huì)浪費(fèi)大量寶貴的人力財(cái)力。在前人的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新的功能，是大型軟件開(kāi)發(fā)的通用規(guī)則。量子化學(xué)自60年代以來(lái)，積累了大量的Fortran程序庫(kù)，它們的開(kāi)發(fā)都是非常艱苦的，是無(wú)數(shù)量子化學(xué)家智慧的結(jié)晶，每個(gè)研究組都要在前人的基礎(chǔ)上繼續(xù)的研究，例如現(xiàn)在的Gaussian09里面還使用著當(dāng)年P(guān)ople