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コードを読み解いて学ぶFortran

既存のFortranコードを読み解いて、理解を深めていく。(追記中)

変数宣言の上にあるuse

main1.f90
Program Main
  Use parameters
  Implicit none
  Real(8) :: a, b, c

  ...
  array(1) = a
  array(2) = b
  array(3) = c


End Program Main 

のように、変数宣言の前にあるuse文。これはmoduleという別に書いたコードで作った変数群、subroutine群、関数群をMainプログラムに呼び込むための文。例えば以下のようなモジュールを記載したコードを作っておいて、分割コンパイルすることが多い。(同じファイルの中にあっても、もちろん問題はない。)

parameters.f90
Module parameters
  Implicit none
  Real(8), parameter :: Ha = 27.21 !eV
  Real(8) :: array(1:3)

End Module parameter 

他のコードから呼ぶときuse parametersと書くと、parametersモジュールで宣言したすべての変数/subroutine/関数が呼び込まれる。
ちなみに、変数宣言の個所でparameterを付けると、定数となりその変数は書き換え不可能になる。数学定数や物理定数などをまとめておくのにも、モジュールはよく使われる。

有用な解説: 9. モジュールと構造型 — Fortran演習(地球惑星物理学演習)

use module, only:で読み込んだモジュールから必要な変数のみを読み込む

main2.f90
Program Main
  Use parameters, only: array
  Implicit none
  Real(8) :: a, b, c

  ...
  array(1) = a
  array(2) = b
  array(3) = c


End Program Main 

のように、onlyをつけることで、モジュールから、特定の変数、関数、サブルーチンのみを呼び出すことができる。
コードが巨大になり、複数人数が開発に携わるようになると、どのコードでどの変数、関数、サブルーチンが呼ばれているのかを把握することが困難になる。特に変数は、想定外の個所で値を変更してしまうと、思いもよらないところでトラブルを起こす。こういった問題を避けやすくするために、onlyをつけて読み込む変数を限定することができる。さらに、これはコードから様々な変数、機能がどこで使われているのかを把握しやすくすることができる。

use module, only: a => bで読み込んだ変数の名前をコード内でのみ変更する

main3.f90
Program Main
  Use parameters, only: array => vector
  Implicit none
  Real(8) :: a, b, c

  ...
  vector(1) = a
  vector(2) = b
  vector(3) = c


End Program Main 

のように、=>を使うことで、元のモジュールで使われていた変数、関数、サブルーチンの名前を、該当コード内では異なる名前として使うことができる。
ローカルな変数は、たとえ同じ名前が他の関数、サブルーチンで使われている変数と同じであっても、それらが混ざることはない。つまりローカルな変数はお互いに干渉せず、値の変更はお互いに反映されないし、そもそも型や配列の形、そもそも変数と関数という異なる対象のものであっても、問題はない。一方で、モジュールを読み込んだ場合は、デフォルトではモジュールで宣言されている変数の名前を使う必要がある。これが様々な理由で都合が悪い場合は、=>を使うことで、その関数、サブルーチンの中では異なる名前として参照することができる。例えば物理定数モジュールに光速度としてcがあり、対象のコードではa,bに引き続く変数としてcを用いたい場合Use phys_constants, only c => light_speedのように異なる変数名に変えることで、対象コード内のローカル変数としてcを使うことができる。

変数宣言の個所にあるallocatable

Fortranでは配列を宣言する方法が大きく分けて二通りある。一つは変数を宣言する際に形とサイズを指定するもの、もう一つは変数宣言時には形だけを指定して、具体的なサイズは実行時に指定する方法である。具体的なコードを以下に示す。

形とサイズを変数宣言時に指定する配列

main4.f90
Program Main
  Implicit none
  Real(8) :: array1(1:3), array2(1:2, 2:4)

End Program Main 

上のコードでarray1(1), array1(2), array1(3), array2(1, 2), array2(2, 2), array2(1, 3), array2(2, 3), array2(1, 4), array2(2, 4)を要素とする配列が定義できる。

形を変数宣言時に指定してサイズは実行時に決める配列

main5.f90
Program Main
  Implicit none
  Real(8) :: array3(:), array4(:,:)

  Allocate(array3(1:3))
  Allocate(array4(1:2, 2:4))

End Program Main 

上のコードでarray3(1), array3(2), array3(3), array4(1, 2), array4(2, 2), array4(1, 3), array4(2, 3), array4(1, 4), array4(2, 4)を要素とする配列が定義できる。
このように、実行途中で配列のサイズを指定するのは、コンパイル時点でサイズのわからない配列についての計算コードを書くためである。例えば、allocate文よりも前のどこかで、配列の大きさを指定するパラメーターを読み込み、それに応じて配列を確保する際に、使われる。

Module, subroutineの中にあるcontains

(書きかけ)

Yasushi-Shinohara
10-20名位の大学の一研究室くらいの規模のローカルネットワークでの計算機環境の整備、第一原理計算コードのビルドや使い方等。
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