JupyterLabでlFortranを使ってインタラクティブにFortran開発を始めよう

はじめに

Fortranは科学技術計算の分野で長年使われている言語ですが，従来のワークフローではコンパイル・実行のサイクルが必要で，試行錯誤が少し面倒でした．lFortranとJupyterLabを組み合わせることで，PythonのようにインタラクティブにFortranのコードを実行できる環境を構築できます．

この記事では，lFortranをJupyterLabで使用するための環境構築から基本的な使い方まで，実践的なガイドを提供します．

lFortranとは？

lFortranは現代的なオープンソースのFortranコンパイラで，以下の特徴があります：

インタラクティブなFortran実行環境（REPL）を提供
- LLVMをコンパイラ基盤として利用することでJITコンパイルによって実現
Jupyter対応のカーネルを搭載
モダンなFortran機能をサポート
高速なコンパイルと実行

環境構築

ここでは，JupyterLabを使ってlFortranを動作させる方法について説明します．
（lFortranをインストールすればVSCodeのJupyter拡張機能をつかって，VSCode上でも動作させることが可能なはずです．）

必要なツール

以下のツールを準備します。

JupyterLab: インタラクティブなノートブック環境
lFortran: Fortranのインタラクティブ実行を可能にするオープンソースのコンパイラ
mambaまたはconda: 環境構築と依存関係の管理ツール

手順

lFortranをJupyterLabで使えるようにする手順を説明します．

1. mamba/condaのインストール

まず，condaをインストールします．Miniforgeを使うのがおすすめです．

インストール手順に従ってMiniforgeをインストールします．

# UNIX系の場合
curl -L -O "https://github.com/conda-forge/miniforge/releases/latest/download/Miniforge3-$(uname)-$(uname -m).sh"
bash Miniforge3-$(uname)-$(uname -m).sh

# Homebrewの場合
brew install miniforge

インストール後、以下のコマンドでmambaが正しくインストールされていることを確認します。

mamba --version

2. 新しい環境の作成

次に、JupyterLabとlFortran用の環境を作成します。

mamba create -n lf jupyter lfortran -c conda-forge

このコマンドは以下を行います．

lfという名前の新しい仮想環境を作成
JupyterとlFortranをインストール
- lFortranをインストールすると自動的にlFortranカーネルがJupyterに登録される
conda-forgeチャンネルから必要なパッケージを取得

環境を有効化します。

mamba activate lf

3. JupyterLabの起動

以下のコマンドでJupyterLabを起動します。

jupyter lab

ブラウザが自動的に開き、JupyterLabのLauncherページが表示されます。

問題なくiFortranカーネルが登録されていれば，下図のようにFortran(lFortran)のノートブックが選択できるようになっているはずです．

これでFortranコードをインタラクティブに実行できる環境が整いました．

Fortranコードの実行例

以下に，簡単なFortranコードを実行する例を示します．

基本的な計算

以下のコードをノートブックのセルに入力し，実行します．

print *, "Hello, Fortran!"
end

出力:

 Hello, Fortran!

配列操作

次に，配列の操作を試します．

program array_example
    implicit none
    integer, dimension(5) :: array
    integer :: i

    ! 配列に値を代入
    do i = 1, 5
        array(i) = i * i
    end do

    ! 配列の内容を表示
    print *, "Array values:", array
end program array_example

出力:

 Array values:  1  4  9  16  25

数値計算

次の例では数値積分を計算します．

program integration_example
    implicit none
    real :: result

    result = 0.0
    result = result + (1.0 / 3.0) ! Integral of x^2 from 0 to 1

    print *, "Integral of x^2 from 0 to 1:", result
end program integration_example

出力:

Integral of x^2 from 0 to 1: 0.33333334

トラブルシューティング

lFortranカーネルが見つからない場合は下記の点を確認してみてください．

conda環境が正しく有効化されている。
jupyter --pathsを実行して、カーネルのディレクトリにlfortranが含まれていることを確認。

まとめ

この記事では，JupyterLabでlFortranを使ってFortranコードをインタラクティブに実行する方法を解説しました．この環境を利用することで，Fortranのコードを効率的に試行錯誤したり，科学技術計算に応用することが可能になります．Fortranの学習やプロトタイピングにぜひ活用してみてください．

参考リンク