Fortran 95/2003 Explained (Numerical Mathematics and Scientific Computation) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Oxford University Press, USA

作者:Michael Metcalf

出品人:

页数:416

译者:

出版时间:2004-08-03

价格:USD 164.49

装帧:Hardcover

isbn号码:9780198526926

丛书系列:

图书标签:

• Fortran
• Fortran 95
• Fortran 2003
• Numerical Mathematics
• Scientific Computation
• Programming
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• Mathematics
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• Scientific Computing

《Fortran 95/2003 权威指南：现代科学计算与数值分析的基石》 导言：计算范式的演进与 Fortran 的核心地位 在科学研究、工程设计以及高性能计算（HPC）领域，数值计算一直是解决复杂问题的核心工具。自 20 世纪中期诞生以来，Fortran（Formula Translation）语言便以其对数学运算的天然亲和力、卓越的执行效率和对底层硬件的精妙控制，确立了其在科学计算领域的不可动摇的地位。本书旨在深入剖析 Fortran 语言从 Fortran 95 到 Fortran 2003 标准演进过程中的关键特性、设计哲学及其在现代计算科学中的实际应用。我们关注的重点是，如何利用这些语言特性，构建出既高效稳定，又易于维护和扩展的数值算法和科学应用程序。 第一部分：Fortran 95/2003 核心语法与结构重构 本部分将系统性地梳理 Fortran 95/2003 标准下，相较于早期版本的关键性改进和新增特性。 1. 现代化的程序结构与模块化编程 (Module Programming) Fortran 90/95 引入的模块（Module）机制是现代 Fortran 编程的基石。我们将详细解析模块的结构，包括其接口（Interface）、数据封装（Data Encapsulation）以及如何利用模块来管理全局常量、派生数据类型和子程序集合。重点探讨模块化如何提高代码的可读性、可重用性和编译时错误检查的有效性，并对比传统 FORTRAN 77 风格的 COMMON 块，阐述模块在避免命名冲突和实现信息隐藏方面的优越性。 2. 动态内存管理与数组处理的革命 动态内存分配（Allocation, Deallocation）是科学计算中处理可变规模问题的关键。本书将深入讲解 `ALLOCATABLE` 属性、`ALLOCATE` 和 `DEALLOCATE` 语句的正确用法，并特别关注如何在复杂的算法中安全地管理这些内存块，避免内存泄漏。 数组操作是 Fortran 的核心强项。我们将详尽介绍 Fortran 95/2003 中引入的数组构造器 (Array Constructors)、数组切片 (Array Slicing)，以及强大的数组赋值运算 (Whole Array Operations)。通过具体实例，展示如何使用隐式循环（Implicit Loops）和掩码数组（Masked Arrays）来替代冗长且效率低下的显式循环，从而写出更简洁、更接近数学表达式的代码，并充分利用编译器优化能力。 3. 控制流与并行化准备 现代 Fortran 提供了更加灵活的控制结构。我们将探讨改进后的 `DO` 循环（包括 `DO...END DO` 结构），以及 `SELECT CASE` 语句。更重要的是，我们将为后续的并行计算打下基础，介绍 Fortran 2003 中对可转移性 (Portability) 的增强，为引入的并行特性做铺垫。 第二部分：面向数值分析的高级特性 科学计算的精髓在于算法的实现。本部分专注于 Fortran 2003 引入的、极大提升数值分析灵活性的新功能。 4. 派生数据类型与结构化数据管理 派生类型（Derived Types）允许用户根据需要创建复杂的数据结构，这对于实现面向对象的思想，例如构建矩阵库、有限元模型中的节点或场变量，至关重要。我们将讲解如何定义、实例化和操作这些自定义类型，包括组件的选择 (`%` 运算符) 和类型之间的赋值操作。 5. 接口 (Interface) 的显式定义与重载 Fortran 2003 极大地增强了程序的互操作性和灵活性。我们将详细阐述自定义接口 (Derived Type Bound Procedures) 和通用过程 (Generic Procedures) 的概念。这使得我们可以为不同的数据类型（如不同精度的数组或自定义结构）定义具有相同名称的过程，编译器能根据传入的参数类型自动选择正确的实现。此外，也将探讨如何定义与外部非 Fortran 代码（如 C 语言）交互的可移植接口 (Interoperable Interfaces)。 6. 递归与指针的运用 虽然 Fortran 传统上不侧重递归，但现代标准提供了对递归子程序的支持。我们将探讨其在处理树形结构或特定分治算法时的应用。同时，对指针 (Pointers) 的深入理解是实现复杂数据结构（如链表、图）和高性能数据共享的前提，本书将提供一套稳健的指针使用规范。 第三部分：数值计算的高效实现与性能优化 Fortran 保持性能优势的关键在于其对数组操作的底层优化。本部分侧重于如何将理论算法转化为高性能代码。 7. 内部函数与标准数学库的精通 我们将全面回顾 Fortran 内建的数学函数库，包括三角函数、双曲函数、指数和对数函数。重点讲解内在函数 (Intrinsic Functions) 在处理数组时的广播机制（Elemental Operations），以及如何选择合适的精度（`REAL(KIND=4)` vs `REAL(KIND=8)`）以平衡速度与精度。 8. 内部过程与模块化封装 解析 `CONTAINS` 块的使用，用于定义模块内部的内部子程序（Internal Subroutines/Functions）。这种封装方式在实现复杂算法的辅助函数时非常有用，它们可以访问宿主模块的变量，同时保持代码的清晰性。 9. 性能调优的实践与编译器指导 高性能计算不仅仅是写出正确的代码，更是写出能高效运行的代码。我们将提供基于 Fortran 95/2003 语法的性能调优建议，包括：循环展开（Loop Unrolling 的编译器视角）、数组访问的顺序优化（行主序 vs 列主序的实际影响）、以及如何通过正确的模块和接口设计来帮助编译器进行更激进的优化。 结论：展望现代 Fortran 在科学计算中的未来 Fortran 95 到 2003 的演进，标志着该语言从一个纯粹的科学计算工具，向一个更加健壮、模块化和面向现代软件工程实践的系统编程语言转变。理解这些特性，是任何希望在高性能计算、流体力学、地球物理或任何涉及大规模数值模拟领域深造的人士的必备知识。本书旨在成为连接传统 Fortran 编程技能与现代并行计算和数据结构需求之间的桥梁。

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这本书的标题确实让人眼前一亮，它承诺了对 Fortran 95 和 Fortran 2003 标准的深入解读，并且明确地将焦点放在了数值数学和科学计算领域。光是冲着这个定位，我就对手头这本厚厚的书充满了期待。首先，从封面设计和排版来看，它散发着一种专业、严谨的气息，纸张的质感也相当不错，这对于一本需要频繁翻阅的参考书来说，是件好事。我个人在使用早期 Fortran 标准时，常常遇到一些现代编程语言中早已解决的遗留问题，比如复杂的内存管理和低效的数组操作。因此，这本书如果能真正将 95 和 2003 标准带来的范式转变，特别是模块化编程、动态内存分配（ALLOCA table 那些）以及并行计算接口（Coarray Fortran 尚未普及前的一些早期尝试）的优势，用清晰易懂的方式阐述出来，那将是极大的加分项。我尤其关注那些关于面向对象特性（如派生类型的继承和封装）的讲解是否足够贴近实际工程应用中的痛点，比如如何高效地构建复杂的物理模型库或者高性能数值求解器。如果内容能够深入到编译器优化层面，比如剖析 `IMPLICIT NONE` 对代码质量的提升作用，或者现代 Fortran 如何更好地与 C/C++ 库进行互操作，那么这本书的价值就不仅仅停留在语法教学层面，而是上升到了工程实践的指导手册的高度。希望它不是那种仅仅罗列标准条款的枯燥文本，而是充满了实际案例和“为什么这么设计”的洞察力。

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这本书的篇幅看起来相当可观，这通常预示着对细节的关注。作为一名长期在计算物理领域工作的人，我深知 Fortran 的威力往往体现在那些细微之处，比如文件 I/O 的高效性、Kind 类型参数的灵活运用，以及如何优雅地处理复数和非标准数据结构。我希望作者能花大量笔墨讲解 Fortran 2003 引入的 ISO C 绑定，这对于将 Fortran 代码集成到更广泛的软件生态系统中至关重要。过去，与其他语言的接口往往是项目中最痛苦的部分，如果这本书能提供一套清晰、健壮的 C 绑定实现指南，并展示如何利用它来调用外部库函数，那简直是雪中送炭。另一方面，对于数值分析爱好者来说，错误处理和异常机制的讨论也不可或缺。Fortran 标准在这方面虽然不如 C++ 那样丰富，但 95/2003 标准下的错误处理机制（如 `IOSTAT` 和新的错误处理结构）如果讲解得当，能极大地提高代码的健壮性。这本书的成功与否，很大程度上取决于它是否能帮助读者跨越“Fortran 77 遗留思维”的鸿沟，真正拥抱现代 Fortran 带来的工程便利性和性能优势。

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拿到这本书后，我立刻翻阅了目录，试图感受作者的讲解逻辑和深度。我对现代科学计算语言的理解，往往是通过实际解决一个复杂问题来加深的，而不是死记硬背语言规范。因此，我非常希望这本书能提供一套连贯的、从基础到高级的“构建高性能数值代码”的思维路径。例如，对于数组操作，Fortran 的向量化特性是其核心竞争力之一。我期待书中能有专门的章节，详细对比 Fortran 95/2003 中不同循环结构、数组切片和内在函数（如 `SUM`, `DOT_PRODUCT` 等）在不同硬件架构下的性能差异，并且给出明确的“最佳实践”建议。毕竟，在需要处理万亿次浮点运算的模拟中，一个不恰当的循环嵌套可能导致数小时的计算时间浪费。此外，现代 Fortran 在处理大规模并行计算（虽然 Coarray 是后来的事情，但 2003 标准也包含了一些并行化的基础）方面的设计思路，也是我重点考察的部分。如果作者能够结合一些实际的矩阵运算、偏微分方程求解的例子，展示如何利用新标准的特性来编写出既清晰又高效的代码，那么这本书就真正体现了“Numerical Mathematics and Scientific Computation”的承诺。我更倾向于那种能够教会我“如何思考”的教材，而不是简单地“告诉你怎么写”的说明书。

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我注意到书名中强调了“Explained”，这暗示了作者不仅仅是罗列规则，更重要的是阐释背后的设计哲学。对于那些从 MATLAB 或 Python 转向 Fortran 的用户来说，他们最困惑的可能就是 Fortran 这种“老牌”语言为何在今天仍有其不可替代的地位。这本书能否成功地解答这个疑问，将是衡量其价值的关键。我希望看到的是关于“为什么 Fortran 95/2003 的模块化比早期的 INCLUDE 语句更优越”、“动态内存分配如何保障大规模计算的可扩展性”等深层次的探讨。如果作者能以一种历史的眼光，将 95/2003 标准的每项重大改进，都置于提升科学计算效率和代码可维护性的宏大背景下进行阐述，那么这本书的阅读体验将远超一般的技术手册。我特别期待看到关于内部函数（Intrinsic Functions）的深入分析，这些看似简单的函数，往往是高性能计算的基石。如果能有表格或图示来对比 Fortran 95 和 2003 在特定功能上的演进，比如对派生类型中的指针支持的改进，那将非常有助于读者明确升级到新标准的好处。

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阅读一本专注于特定编程语言版本的深度解析书籍时，一个重要的衡量标准是其对“遗留代码兼容性”的处理方式。许多科研机构和国家实验室仍然运行着大量的 Fortran 77 代码，如何平滑地过渡到 95/2003 结构，是实际工作中必须面对的问题。因此，我希望这本书在讲解新特性时，能够时不时地穿插一些关于“如何安全地重构旧代码”的实用建议。例如，如何在不破坏现有 F77 循环逻辑的前提下，引入 `WHERE` 语句进行向量化操作，或者如何使用新的 `MODULE` 结构来替代复杂的全局 `COMMON` 块。如果书中提供了一些针对特定科学领域（如有限元分析或蒙特卡洛模拟）的现代化重构案例分析，那就太棒了。这类实战经验比纯理论介绍更有助于读者建立信心，将书本知识转化为生产力。这本书如果能成为一座连接经典 Fortran 智慧与现代高性能计算需求的桥梁，那么它对科学计算社区的贡献将是不可估量的。我期待它能以一种既尊重历史又拥抱未来的姿态，引导读者掌握这门计算领域的“硬通货”。

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