通过与Fortran 的混合编译在C 中实现动态数组

摘要：动态数组在数据处理时有着独特的优势，Fortran语言数组功能强大并支持动态数组，而C语言不支持动态数组。利用Fortran与C/C++的混合编译思想，通过调用Fortran90例程的方法，在C中实现动态数组并给出了程序代码。

关键词：动态数组；Fortran；C/C++；混合编译；调用约定

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）18-4192-03

数组是处理大量数据时的有力助手。在不能够事先确定数组大小的情况下，为避免数据溢出或越界，就要足够大的数组。这种方法使用过度，会迟滞内存操作。故此，理想的数组能够动态确定大小，即程序运行中先向系统申请一个大数组，不使用时再将其内存空间释放掉。而动态数组很好地满足了这一要求。但C语言不支持动态数组，不能动态定义数组元素的数量。如何解决这一矛盾将是本文的着力点。

1 Fortran中的动态数组

Fortran90数组功能强大，执行程序时能够动态分配数组存储空间和实际大小，不使用时再将其内存释放还给系统；支持直接操作数组段、数组整体；支持逐个操作数组元素；支持面向数组操作的函数和构造块[1]。Fortran 90中运用动态数组需要三个步骤：

1）声明动态数组。明确数组的维数，不规定维的上、下界和大小（即延迟形状数组）。如：REAL，DIMENSION（：），ALLOCATABLE：：X。

2）给动态数组分配内存。如：ALLOCATE（X（N））。

3）将分配的内存释放掉。如：DEALLOCATE（X）。

2 Fortran与C/C++的混合编译

在32位Windows系统下，同时安装Compaq Visual Fortran 6.x和Microsoft Visual C++ 6.0，则两者共享一个可视化开发环境（Microsoft Visual Studio 6.0）[1]。Fortran与C/C++任一种语言都可以作为主程序，调用另一种语言编写的例程。但两者在目标例程命名、堆栈管理以及参数传递方面的行为模式不完全一致，要协调其调用约定。

Fortran使用的调用约定有缺省约定（Default）、STDCALL约定和C约定。在Visual Fortran 6.x的编译器下，作用于例程参数和整个外部例程的属性不同，会影响堆栈管理、例程命名、参数传递。

2.1 堆栈管理

Fortran与C/C++间的例程调用是通过堆栈进行的。在缺省约定和STDCALL约定下，堆栈由被调用例程（Colleen）控制。在C约定下，堆栈由调用程序（Caller）控制，所以例程参数驻留在堆栈什么位置、占用多少字节等信息都是调用程序获知，该约定下传递参数的数量是可以变化的，是可选参数[2]。

2.2 例程命名

在编译生成的目标文件（.OBJ）中，标示符诸如全局变量、外部例程、模块等，在整个程序作用域内是独一无二的，共享于各个程序单元[3]。C对字母的大小写敏感，C++增加了特定的修饰，而Fortran忽略字母大小写，使得目标标示符在编译后发生变化。而命名约定，就是保持目标标示符在编译时一致性的命名规则。为保证链接成功，就要协调命名约定。

C++增加的修饰受特定系统影响，如将其去掉，就是在函数中添加C链接选项（extern “C”），则C++与C的命名约定相同。

协调Fortran与C/C++的例程命名分大写、小写和混合三种情况：

1）大写。Fortran是缺省约定，其目标外部例程名统一被转换为大写，那么在C/C++中须采用_stdcall约定，并用大写命名外部函数。

2）小写。Fortran是C约定或STDCALL约定，其目标外部例程名统一被转换为小写，那么在C/C++中须采用缺省约定_cdecl或_stdcall约定，并用小写命名外部函数。

3）大小写混合。C/C++的外部函数名是大小写混合形式，在Fortran中若要保持一致的形式，必须采用ALIAS属性来限定产生的目标例程名。

2.3参数传递

1）参数传递方式

Fortran参数传递方式取决于调用约定[4]。Default状态下，Fortran为引用传递；C或STDCALL约定状态下，数组参数为引用传递；单个参数为值传递。在调用约定之外，为忽略掉调用约定对参数传递的影响，可以规定参数拥有VALUE和REFERENCE传递属性[5]。在混合编程中，应通过VALUE和REFERENCE属性明确规定参数的传递方式，而不是依赖于调用约定。

C/C++参数传递方式不受调用约定影响。数组参数为引用传递；单个参数为值传递。单个参数可转换为引用方式传递，C中可选指针参数；C++中可选指针参数或引用参数。

2）数据类型的对应

要使Fortran和C/C++的混合编程获得成功，不仅要求对其调用约定、命名约定等进行协调，还要求保持数据类型相互一致。事实上，实型和整型是数值计算过程中经常运用到的，并且在两种语言中其数据类型有着很好的一致性，其对应关系如表1。

3 C中动态数组的实现实例

下面给出一个利用Fortran与C/C++的混合编译在C中实现动态数组的实例。该实例包含以一个外部例程，其功能是利用动态数组实现学生成绩及学生人数的输出。

具体实现过程如下：打开安装好的开发环境，Microsoft Visual C++ 6.0或Compaq Visual Fortran 6.x中的Developer Studio界面，点击new text file快捷按钮，保存为（.f90）文件，在其中编写Fortran外部例程。

代码如下：

SUBROUTINE PrintMarks（Students）

IMPLICIT NONE

！DEC$ ATTRIBUTES STDCALL，ALIAS：'_PrintMarks@4'：：PrintMarks

！DEC$ ATTRIBUTES VALUE：：Students

INTEGER（4） ：： Students

REAL，ALLOCATABLE：：Marks（：）

INTEGER K

WRITE（*，'（A）'，ADVANCE='NO'） 'How many student：'

READ*，Students

ALLOCATE（Marks（Students））

DO K=1， Students

PRINT*，'输入第'，k，'个学生的成绩：'

READ*，Marks（K）

END DO

PRINT*，Marks

DEALLOCATE（Marks）

print*，Students

END SUBROUTINE

同理，再建立一个（.c）文件编写主程序，在C中调用Fortran例程。

主程序代码如下：

#include

void main（）

{ void _stdcall PrintMarks（int Students）；

int Students=0；

PrintMarks（Students）； }

编写好程序代码后，以（.c）文件建立链接并生成活动的工作空间，将Fortran外部例程的文件添加到工作空间中，混合编译即可获得成功，得到正确的运行结果：通过C程序中调用Fortran例程在C中实现动态数组。

4 结论

通过C程序调用Fortran例程的混合编译方法，实现了C语言的动态数组功能，一定程度上弥补了C不支持动态数组的缺憾。此外，Fortran90其他的优势数组功能可否通过调用的方式增强C数组功能的不足，或许是可行的研究方向。

参考文献：

[1] 周振红.Fortran 90/95 高级程序设计[M].郑州：黄河水利出版社，2005.

[2] 任慧，周振红，张成才.Fortran与C/C++的混合编译[J].计算机工程与设计，2007（9）：4096-4098.

[3] 毕苏萍，周振红，贺晓慧.Fortran90借用C++函数模板[J].郑州大学学报：工学版，2013（3）：64-66.

[4] 周振红，王国宾，毕苏萍.Fortran与VB传递单一字符串的几种方式[J].郑州大学学报：工学版，2011（1）：116-120.

[5] 周涛，郭占元，郭向荣.FORTRAN与C#混合编程在土木工程计算中的应用[J].山东交通学院学报，2009（3）：80-85.