FORTRAN C/C++混合编程

转自别处：https://blog.csdn.net/zhuxianjianqi/article/details/8069585

混合编程在软件编程中是经常遇到的问题，尤其是C/C++/FORTRAN的混合编程，本文主要说明以上三种语言混合编程中经常遇到的问题，同时，也说明了不同平台下混合编程应注意的问题。
混合语言编程要注意的问题主要体现在：函数调用和数据结构的存储。
1 Windows平台
函数：由于Fortran编程语言没有大小写之分，Windows平台下的混合语言编程要注意的主要是大小写的问题，但是混编的时候需要C/C++为大写，否则Fortran调用找不到。考虑到编译器的差异，可以用下面的方式进行跨平台编程的函数声明。（ C/C++编译器使用Microsoft Visual C++ 6.0, Fortran编译器使用 Digital Visual Fortran 6.0）。
假设一个C的函数为 void cFunction(); 那么，只需要在它的头文件里面进行如下定义即可：
#ifdef  __cplusplus
extern “C” void {
#endif
extern void __stdcall CFunction();
＃define cFunction CFUNCTION
#ifdef __cplusplus
}
#endif
这样，在Fortran或者C++的程序里面就可以直接调用了。
假设是一个Fortran函数SUBROUTINE FFUNCTION(); 那么，在C++头文件里进行如下的定义就可以了：
#ifdef  __cplusplus
extern “C” void {
#endif
extern void __stdcall ffunction();
＃define ffunction FFUNCTION
#ifdef __cplusplus
}
#endif
这样，就可以在C++的程序里面直接调用。由于C编译器里面，没有定义__cplusplus这个环境变量，因此，C文件里面，也可以直接使用这个头文件。
如果是一个C++函数，如： void cPlusplusFunction（）；和c函数一样，进行下面的定义即可：
#ifdef  __cplusplus
extern “C” void {
#endif
extern void __stdcall cPlusplusFunction ();
＃define cPlusplusFunction CPLUSPLUSFUNCTION
#ifdef __cplusplus
}
#endif
经过上面的定义后，所有的函数便可以在三种语言中自由调用。
在三种语言的混合编程中，还要注意函数的参数：字符串的传递问题。
Windows平台上的Fortran和C/C++的混合语言编程里，字符串的处理需要特别注意。Fortran的一个字符变量是定长的字符串，没有特别的终止符号，这不像C/C++。关于怎样表示字符、怎样存储它们的长度没有固定的约定。有些编译器把一个字符参数作为一对参数传送给一个程序，其中之一是保存这个串的地址，另一个是保存串的长度。Fortran里面字符串的结束就是靠字符串的长度确定的。
对含有字符串的函数，可以这样处理：
例如函数 void cCharFunction( char *msg );需要定义成：void cCharFunction( char *msg , int len ); 经过上面的define之后，在Fortran中，只需调用CCHARFUNCTION（ MSG ）即可。由于Fortran程序没有明显得字符串结束标志，这样，如果两个字符串连在一起的话，C的程序里就会取到这个连在一起的字符串，因此，最好在C的程序里面，对这个由Fortran程序得到的字符串进行处理，因为，从len这个变量，可以得到字符串长度，截取msg的前len个字符作为这个字符串的应有长度。
而如果是在Fortran程序里面，如函数：SUBROUTINE FCHARFUNCTION（FCHAR）；经过相应的声明，进行下面的定义即可：
＃define fCharFunction( fchar ), FCHARFUNCTION（ fchar, strlen(fchar) ）
这样，在C/C++程序里即可直接调用。
在这三种语言的混合编程里，还有一个小问题就是指针的问题。Fortran里面所有的变量都相当于C/C++里面的指针，所以，在C/C++里面的程序里，函数的参数应一律声明成指针的形式（除了字符串参数后面的长度）。
数据：混合编程里，数据上存在的差异也必须引起足够的重视。这体现在两个方面，数组和结构。
数组：Fortran语言里面，数组和C/C++里面的数组有些不同，这表现在两个方面，一是行列顺序，二是数组起始值，因此C++和Fortran混编使用数组的时候，尽量用一维数组，可以避免调整，如果是二维或三维，需要重新调整顺序，比较麻烦。
Fortran语言不同于C/C++的行优先，而使用列优先的方式。假设一个A数组，m行n列，那么采用行优先时的数据存放格式为：
a11,a12,…,a1n,a21,a22,…,a2n,……，am1,am2,…，amn
而采用列优先的数据存放格式为：
a11,a21,…,am1,a12,a22,…,am2,……，a1n,a2n,…，amn
行优先顺序推广到多维数组，规定为先排最右的下标；列优先顺序推广到多维数组，规定为先排最左的下标。这样，在混合语言编程里调用数据时，必须注意行列优先的差别，进行准确的调用。
数组的另一个差别是起始下标的不同。Fortran里面，默认的数组下标是以1开始的，而C/C++里面是从0开始的，所以，在调用里面要注意加一或者减一，以保证调用到正确的数据。
结构：在Fortran语言里的结构经过声明后，就被分配了空间，在C/C++里面也要声明它，
采用下面的方式：
Fortran：
COMMON /COLOR7/ C_RED, C_GREEN, C_BLUE
COMMON /NDDAT/  NID(NASIZE),XN(3,NASIZE)

C/C++：
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#define color7 COLOR7
#define nddat NDDAT
extern struct {float c_red; float c_green; float c_blue;} color7;
extern struct {int nid[NASIZE]; float xn[NASIZE][3];}  nddat;
#ifdef __cplusplus
}
#endif
2 Linux平台
Linux平台的混合语言编程和Windows平台上的基本没有什么区别，主要是在define上的不同。考虑到编译器的差异，在函数声明上，可以用下面的方式进行跨平台编程的函数声明。（ C/C++编译器使用GNU gcc，Fortran编译器使用 pgi Fortran ）。
假设一个C的函数为 void cFunction(); 那么，只需要在它的头文件里面进行定义即可：
 
#ifdef  __cplusplus
extern “C” void {
#endif
extern void CFunction();
＃define cFunction cfunction_
#ifdef __cplusplus
}
#endif
这样，在Fortran或者C++的程序里面就可以直接调用了。
注意：函数名应不大于31个字符。(即cfuntion_字符长度不大于32字符。PGI&Linux)
同样，对于C++和Fortran里面的函数，声明的时候，也只要改成小写，加下划线即可。

    对于数组来说，变化和Windows是一致的。都是行列优先顺序不同的。而对于字符串来说，则不需要额外的注意，gcc编译器会处理好这个问题，也就是并不需要作出额外的改变。

    数据结构的定义，也要改成小写加下划线的方式，如：
Fortran：
COMMON /COLOR7/ C_RED, C_GREEN, C_BLUE
COMMON /NDDAT/  NID(NASIZE),XN(3,NASIZE)

C/C++：
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#define color7 color7_
#define nddat nddat_
extern struct {float c_red; float c_green; float c_blue;} color7;
extern struct {int nid[NASIZE]; float xn[NASIZE][3];}  nddat;
#ifdef __cplusplus
}
#endif
3 其它平台
    对于Solaris平台，基本上和Linux平台完全一致，但是，考虑到Solaris大多运行在Sparc CPU上，它是采用big endian的，而基本的Windows和Linux运行在Intel或者AMD的X86平台，都是采用little endian的，这一点需要特别注意，这在读写数据文件时，应该给予足够的重视。其它的UNIX平台如HP UNIX，ULTRIX，IRIS等，一般都只有define上的微小差别，在字符串处理、结构及数组方面基本与Linux相同，对它们来说，考虑更多的应该是中央处理器的不同带来的差别。（如对齐、大端和小端）。
WIN32 平台define a A
ULTRIX || SPARC || IRIS || LINUX 平台 define a a_
HPUX || AIX 平台 勿须define
4 C/C++/FORTRAN 混合编程中的字符串处理
    混编中经常会出现需要传递字符串的情况，而字符串的传递是一个较为麻烦的事情，在Fortran里面，字符串是没有结束符的，但是有长度的概念，也就是，编译器里面会给每一个字符串一个长度，以控制字符串的长度。但是这个长度参数在不同的平台下，其位置也是不同的（有的直接跟在字符串后面，有的则跟在函数参数的最后面），对于常见的平台如Windows，Linux, Solaris, HP UNIX, IRIS, 可以用如下方法定义：

例如 c函数
void messag( char *msg1, int *where1, char *msg2, int *where2 )
{
printf(“ ……%s should be %d, while %s should be %d ”, msg1, *where1, msg2, where2);
}

如果要在Fortran里面调用的话，需要以下define：
#if defined ULTRIX || SPARC || IRIS || LINUX || WIN32
#if defined ULTRIX || SPARC || IRIS || LINUX
extern void __stdcall messag(char*, int*, char*, int*, int, int)
#define messag( s1, i1, s2, i2 ) messag_( s1, i1, s2, i2, strlen(s1), strlen(s2) )
#else 
extern void __stdcall messag(char*, int, int*, char*, int, int*)
#define messag( s1, i1, s2, i2 ) MESSAGE( s1, strlen(s1), i1, s2, strlen(s2), i2 )
#endif
#else 
extern void __stdcall messag(char*, int*, char*, int*, int, int)
#define messag( s1, i1, s2, i2 ) messag( s1, i1, s2, i2, strlen(s1), strlen(s2) )
#endif

如果用在C＋＋中，加上相应的
#ifdef __cplusplus
extern “C” {
#endif

#ifdef __cplusplus
}
#endif

Fortran里面便可以直接调用，如：
CALL MESSAG(char1, i1, char2,i2)

同样，在Fortran里面写的字符串处理函数，使用以上的Define和extern后，也可以在c里面直接调用。
5 文件读写
文件的读写也是混编中一个非常重要的问题，通常的问题发生于不同平台下的混编，以及不同Fortran编译器编译。
在FORTRAN中，文件的写入是由write语句完成的，而每一个write语句可一次性写入多个数据，构成一个数据块。而每一个无格式数据块都由下面3部分组成如图1所示：(1)数据块的开始标志，记录所有数据所占的字节数；(2)组成该数据块的各数据内容。整型数和浮点数，均占4个字节，低字节在前，高字节在后。各数据之间不空格。(3)每个数据块的结束标志，也为该数据块的字节数，而不是以回车换行符作为结束标志。各记录之间也没有分隔符。
 
除此之外，由于编程语言的差异，不同的编译器存储的格式也存在差异，如Visual　FORTRAN与Digital FORTRAN在存储数据块中还存在着差别。差别在于在一个write语句中，Visual Fortran存储数据块的开始与结束标志是用一个字节表示，而在Digital Fortran在是用一个整形数，即四个字节来表示。如图2即Visual Fortran一个数据块最多可以存储2^7(128个字节)，如果一个write语句要求写入的数据量大于128字节时，则按|80|..DATA..|80|80|…DATA…| 80|循环存入。所以在读取时，可以把它转化为Digital FORTRAN的存储形式。

file main.c
---------------
#include <stdio.h>
int main()
{
        a();
        return 0;
}
----------------
file a.f
***************
        subroutine  a()
        implicit none
        integer*4 stat
        print*, 'start '
        open(unit=12,iostat=stat,STATUS='NEW',file='test.txt')
        write(unit=12,fmt=100)
100        format('test')
        end
***************

两个文件，main.c 和 a.f ，编译成可执行程序main
运行之后界面输出结果如下：
start
这个说明已经调用了a，但是文件test.txt里面却没有写入内容。

当我直接用
***************
        program  a
        implicit none
        integer*4 stat
        print*, 'start '
        open(unit=12,iostat=stat,STATUS='NEW',file='test.txt')
        write(unit=12,fmt=100)
100        format('test')
        end
***************
时，显示的结果时start并且test.txt里面时写入了'test' 这个内容的。

也就是用c调用fortran的subroutine时，不能向文件里面写东西。