Fortran 90借用C++函數模板

畢蘇萍，周振紅，赫曉慧

(1.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州450001;2.鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州450001)

0 引言

在計算機科學與技術領域，泛型編程(Generic Programming)具有廣泛的意義.用泛型編程先驅(Alexander Stepanov)的話來說:泛型編程是對算法、數據結構進行抽象和分類，其目標是遞增式構造實用、高效、抽象的算法、數據結構的系統目錄結構或框架［1］.簡言之，泛型編程是將算法、數據結構由具體的實例提升到一般、抽象的形式，使之可以操作不同的數據類型.

C++提供了模板(包括類模板和函數模板)，并逐步積累有相對完善的標準模板庫STL［2］，對泛型編程給予了很好的支持.Fortran從77到90［3］、2003［4］對泛型編程的支持不斷加強，但直至2008也沒能提供模板工具［5］.假如 Fortran 90借用C++函數模板能夠獲得成果，那么無疑會極大地拓展C++的應用空間，給科學與工程計算增添新的活力.筆者就此展開探討，示例程序測試環境:C++為 VC 6.0，Fortran 90為 Compaq Visual Fortran 6.6.

1 C++特殊的重載函數簇—函數模板

C++支持函數重載，允許在參數表不同的前提下于同一編譯單元定義幾個同名函數，調用時依據參數表最佳匹配的原則自動選擇合適的函數.比如在編程計算中，1/2整數除結果為0，1.0/2.0實數除結果為0.5，筆者用兩個重載函數予以驗證(當中的參數采取引用傳遞，和Fortran 90的參數傳遞保持一致):

int divid(int＆a，int＆b){return a/b;}

float divid(float＆a，float＆b){return a/b;}.

測試上列重載函數的主函數為:

void main(void){

int a=1，b=2;float x=1.0，y=2.0;

cout＜＜ ″1/2=″＜＜ divid(a，b) ＜＜ endl;//整數除

cout＜＜″1.0/2.0=″＜＜ divid(x，y) ＜＜endl;}//實數除.程序運行結果為:

1/2=0

1.0/2.0=0.5.

觀察上列重載函數，不難發現兩個特點:①是接口類同，惟有函數結果、參數的數據類型不同;②是算法相同.在這種情況下，將上列重載函數抽象為一個函數模板、用一個泛型T代替函數結果、參數的數據類型:

template＜typename T＞//亦可用class代替typename聲明函數模板中的泛型

T divid(T＆a，T＆b){return a/b;}//divid，a，b的類型均為泛型T

同樣的測試主函數，當調用divid(a，b)函數時構造的是divid＜int＞函數模板實例，而當調用divid(1.0，2.0)函數時則構造的是divid＜float＞函數模板實例，分別與整型和實型重載函數divid相當，所以測試結果與上列重載函數的相同.說明上列重載函數與函數模板的效果完全相同，從而證明，可以將函數模板看成是一特殊的重載函數簇.

2 Fortran 90模擬C++函數重載

要模擬C++函數重載，有必要先回顧一下Fortran 90接口塊的引入.Fortran 90共有4種程序單元:主程序、外部例程(子程序和函數統稱為例程)、模塊和數據塊，當被調程序為外部例程時，為使編譯器產生正確調用，Fortran 90要求在調用程序中建立被調外部例程的接口塊，以明確其接口信息:例程名、例程實現機制(函數，或者子程序)、函數類型、參數的類型、屬性及傳遞方式.當被調外部例程接口簡單時，是否在調用程序中建立其接口塊是可選的;當接口復雜時，建立其接口塊就成為必須的.比如:外部函數返回數組或變長字符串，參數中有可選參數，有假定形狀數組、指針或目標屬性參數，有例程參數(即例程作參數，類似于C語言中的函數指針作參數)等.接口塊的構造形式為:

Interface

Function/Subroutine例程名 (形參表)!接口

形參聲明(包括函數結果類型聲明)

End Function/Subroutine

End Interface.

Fortran 90不直接支持例程重載，不允許定義同名的外部例程，但允許將幾個外部例程接口置于同一接口塊內，并給接口塊命名、以接口塊名作為各個外部例程的統稱，調用時依據接口匹配的原則自動選擇相對應的外部例程，從而推出了支持泛型編程的接口塊(姑且稱為泛型接口塊).

Interface泛型接口塊名

接口體

End Interface.

其中，接口體由幾個外部例程或者模塊例程接口構成.

下面用Fortran 90實現前述C++函數重載示例.首先，用外部例程(函數)div_int和div_real分別實現C++整數除和實數除重載函數，其實現代碼只比各自的接口多一行.

div_int=x/y或div_real=x/y

包含其泛型接口塊(divid)的主程序為:

PROGRAM test_overloading

Implicit None

Interface divid!泛型接口塊

Integer Function div_int(x，y)!外部例程接口

Integer，Intent(IN)::x，y

End Function

Real Function div_real(x，y)!外部例程接口

Real，Intent(IN)::x，y

End Function

End Interface

WRITE(* ，*)'1/2='，divid(1，2)!整數除

WRITE(* ，*)'1.0/2.0='，divid(1.0，2.0)!實數除

END PROGRAM.程序運行結果為:

1/2=0

1.0/2.0=0.500 000 0.

調用程序使用了統一的泛型接口塊名divid，而真正調用的是與接口匹配的div_int、div_real外部例程或稱為“重載”例程;C++盡管重載函數名稱相同，但由于編譯時增加的特殊修飾其目標函數名并不相同，這樣才有可能依據不同的參數表調用與之匹配的重載函數.可見:這里的外部例程加泛型接口塊與C++重載函數的效果是相同的.

3 C++函數模板實例化為“重載”例程

無論是C++的重載函數還是C++的函數模板，都只有在C++環境中才能直接調用或實例化，即便在其子集C語言中也無法直接使用.推想背后的道理，可能是編譯器的功能所致.C++編譯器能夠添加特殊的命名修飾，據此可以判明對應的重載函數或構造不同的函數模板實例;C編譯器無此功能，所以它不支持函數重載或函數模板，C++的重載函數或函數模板也禁止使用C鏈接(其作用是消除C++編譯器的特殊命名修飾).

前面筆者已經探討過:Fortran 90在泛型接口塊的支持下，可以將普通外部例程當作是C++的重載函數，進而也可以看成是C++函數模板實例.這樣一來，如果設法在C++環境中將函數模板實例化為 Fortran 90“重載”例程，就可采取C++與 Fortran的混合編譯［6］，從而在 Fortran 90環境中使用C++函數模板.循這一思路，在前述C++函數模板示例代碼下面增加包裝子

extern ″C″{

int__stdcall DIV_INT(int＆a，int＆b){return divid(a，b);}

float__stdcall DIV_REAL(float＆a，float＆b){return divid(a，b);}}

為使接口與Fortran 90的“重載”例程接口保持一致，上列設置采取C鏈接、__stdcall調用約定、大寫命名約定及引用參數傳遞方式.此處的包裝子有兩個作用:對內，實例化函數模板;對外，承擔Fortran 90“重載”例程.

將前述C++函數模板和包裝子單獨保存為一個文件(.cpp)，并與 Fortran 90主程序文件(.f90)置于同一項目.程序運行結果，與模擬C++函數重載示例的結果相同.

4 結論

將C++函數模板看成接口相似、算法相同的特殊重載函數簇，在泛型接口塊支持下，將Fortran 90外部例程模擬成C++重載函數，然后在C++環境中添加包裝子，將函數模板實例化成Fortran 90“重載”例程，進而在Fortran 90環境中以正常方式使用C++函數模板.像C等其它語言要借用C++函數模板，也可采取同樣的思路.

［1］ALEXANDER A.STEPANOV.Generic programming［EB/OL］.http://www.stepanovpapers.com/，2012.5.22.

［2］DAVID V，NICOLAI M J.C++Templates:The Complete Guide［M］.Addison Wesley，2003.

［3］周振紅，郭恒亮，張君靜，等.Fortran 90/95高級程序設計［M］.鄭州:黃河水利出版社，2005.

［4］Fortran 2003 standard［EB/OL］.http://www.j3-fortran.org/doc/year/04/04-007.pdf，2012.5.22.

［5］CHIVERS S.Introduction to programming with fortran with coverage of fortran 90，95，2003，2008 and 77［M］.Springer，2012.

［6］任慧，周振紅，張成才.Fortran與C/C++的混合編譯［J］.計算機工程與設計，2007，28(17):4096-4098、4111.