Фортран плюсы и минусы языка
«Fortran жив». Почему язык всё ещё важен, хотя давно вышел из моды
Fortran не особо жалуют в сообществе программистов. Многие считают его громоздким и устаревшим, а программирование на нём сравнивают с поездкой на работу в экипаже, запряжённом лошадьми. Ресурс Words and Buttons рассмотрел, насколько правдивы мифы об этом языке программирования. Dev.by публикует перевод статьи.
В рамках одного из конкурсов по оптимизации кода, который инициировало NASA, требовалось выполнить задачу на языке Fortran. Многие считали, что проект даже не смогут запустить из-за отсутствия участников. Проект действительно не запустили, только по прямо противоположной причине: кандидатов оказалось настолько много, что агентство просто не уложилось бы в срок.
Но Fortran не настолько сложен и не потерял свою актуальность. Эти заблуждения породил как раз тот факт, что он отлично справляется с тем, для чего предназначался: сделать обработку больших объёмов числовых данных простой и эффективной. Fortran используют учёные и инженеры (не-программисты), и для них работающее решение задачи важнее красивого кода.
Именно это породило миф о сложности языка. И в основном код на Fortran действительно сложен. Но только потому, что:
Fortran достаточно прост, чтобы узкие специалисты могли писать на нём плохой код, который даёт хорошие результаты.
Что касается «старомодности», текущий стандарт языка — Fortran 2008, а следующим будет Fortran 2018, выход которого ожидается в ближайшее время. Язык понемногу, но постоянно обновляется. Главным сдерживающим фактором является его миссия: оставаться доступным для классических инженеров.
Однако сегодня в Fortran уже есть модули, объекты, дженерики и встроенная поддержка параллельных вычислений. Его возможности стабильно расширяются под давлением современного мира.
Fortran по-прежнему не имеет равных в структурном программировании, но при этом имеет функции, которых нет в мейнстримовых С-подобных языках, например прерывание или продолжение цикла из вложенного цикла.
В нём есть оператор case с диапазонами.
В нём можно использовать массив указателей для доступа к другому массиву.
Здесь можно найти краткое введение в современный Fortran.
Вопрос в том, почему сегодня язык «ушёл в подполье». По мнению Words and Buttons, с ним произошло то же, что происходит со «старыми» программистами. Большинство из них остаётся в профессии, но численно они уступают молодому поколению, растворяясь в общей массе: количество разработчиков удваивается каждые пять лет. Однако это явление свойственно только сфере разработке ПО, а пользователи Fortran — преимущественно инженеры, и их численность не растёт в геометрической прогрессии. Это значит, что аудитория Fortran (предыдущие поколения и молодые инженеры) остаётся примерно на том же уровне, что и 30-40 лет назад, когда Fortran был в самом расцвете сил.
Можно сказать, что таковым он был всегда — слишком бурно развивалась окружающая обстановка. Языки приходят и уходят, но чтобы построить исправный самолёт, для математических вычислений инженеры всё равно выберут старый добрый Fortran, который прекрасно работает и не нуждается в серьёзных изменениях.
Хотите сообщить важную новость? Пишите в Телеграм-бот.
А также подписывайтесь на наш Телеграм-канал.
О бедном Фортране замолвите слово
Попробовать написать здесь свой первый пост меня подтолкнула статья о выборе первого языка программирования, где vt4a2h предлагает использовать для обучения C++. Да, на данную тему было сломано множество копий. 
Я, как и наверное большинство школьников на просторах нашей необъятной Родины, начинал постигать азы через синий экран, но не смерти, а Turbo Pascal 7.0. Был конечно и Basic, с котором я впервые столкнулся в дошкольном возрасте на советском компьютере «Электроника». Тогда он казался странным текстовым редактором, ведь компьютер глазами ребенка создан для игр. Однако уже в институте я познакомился с языком Fortran, познав который, я до сих пор недоумеваю, почему он не используется для обучения.
Да, многие скажут, что язык мертвый, не соответствует современным реалиям, а учебники с названием, как на картинке, вызывают лишь улыбку. Я попробую объяснить, чем же так замечателен этот язык и почему я его рекомендую в качестве первого языка. Если заинтересовало, добро пожаловать под кат.
Я считаю, что базис по основам программирования должен закладываться еще в школьные годы, хотя бы в старших классах. Даже если в жизни компьютер будет использоваться только для набора текста в Word’е или для общения в социальных сетях, минимальные знания о том, что такое алгоритм и как структурировать последовательность действий, чтобы получить нужный результат, по крайней мере не повредят молодому отроку во взрослой жизни, а скорей всего помогут сформировать особый склад ума.
Для того, чтобы уроки информатики были в радость, а не снились в кошмарных снах, обучаемый должен понимать, что он делает, как он это делает и почему получается так, а не иначе. Ведь по сути нужно правильно донести информацию о цикле и условном операторе, чтобы человек мог писать программы самостоятельно. При этом, чем проще синтаксис языка, тем легче понять логику написания кода. Если же человек научится составлять правильный алгоритм, то для программирования на других языках, ему понадобится только узнать синтаксис этого языка, а базис уже будет заложен.
Чем же так замечателен Фортран?
Обратимся к истории создания этого языка. Появился он в далекие 50-е годы прошлого века, когда компьютеры еще были большие, программистов было мало, а информатика не преподавалась в школе, да и вообще считалась лженаукой. 
Нужен был простой язык, который помогал бы инженерам и ученым «скармливать» ЭВМ формулы, написанные на бумаге, пусть даже через перфокарты.
Отсюда и название самого языка: Formula Translator или же «переводчик формул». Т.е. изначально язык был ориентирован на людей без специальной подготовки, а значит должен был быть максимально простым.
Что ж, простота создателям удалась. Классическая первая программа выглядит следующим образом:
Синтаксис даже чуть проще Паскаля, нет необходимости ставить в конце строки «;» или «:» перед знаком равенства. Более того, людям, обладающих минимальным знанием английского языка, понять смысл простейшей программы не составит труда.
Тут я хочу отметить, что Фортран имеет несколько ревизий стандартов, основными из которых являются 77 и 90 (при этом сохраняется преемственность). 77 Фортран действительно архаичен, есть ограничение на длину строки, и необходимо делать отступ в начале строки, что может вызвать у молодого кандидата в программисты культурный шок. Недаром программы, написанные на 77 Фортране, получили из уст моего знакомого емкое название «Брежневский код». Поэтому весь мой текст относится к стандарту языка 90 и новее.
Для примера, приведу код для вычисления суммы неотрицательных целых чисел от 1 до n, вводимого с клавиатуры, написанный моей дипломницей при обучении её программированию с нуля. Именно на ней я испытал преподавание Фортрана в качестве первого языка. Надеюсь, что для неё это пошло на пользу, а мой экперимент удался. По крайней мере основы она усвоила за пару занятий, первое из которых ушло на лекцию про язык.
Нетрудно заметить, что как мы думаем, так и записываем код. Никаких сложностей у обучаемого не может возникнуть в принципе. Внимательный читатель конечно же спросит, что за implicit none и две звездочки в скобках через запятую. implicit none говорит нам, что мы явно указываем тип переменных, тогда как без данной записи компилятор будет сам угадывать тип. Первая звездочка означает, что ввод и вывод происходят на экран, а вторая говорит о том, что формат ввода-вывода определяется автоматически. Собственно, программы на Фортране выглядит не сложнее, чем написанный выше кусок кода.
А что насчет программной среды?
В школах, да и в любых госучреждениях, часто встает вопрос о программном обеспечении, в частности об его лицензионности. Потому как деньги на эти нужды особо не выделяются. По крайней мере в мое время, с этим была проблема, может сейчас ситуация изменилась в лучшую сторону.
Для написания программ на Фортране подойдет любой текстовый редактор. Если хочется подсветки синтаксиса, то можно использовать Notepad++ (поддерживает синтаксис только 77 стандарта) или SublimeText. Программу написали, чем будем компилировать? Тут все просто, можно использовать свободный GNU Fotran. Если использование планируется некоммерческое, то разрешается замахнуться и на компилятор от Intel, который хорошо оптимизирован под одноименные процессоры и поставляется с минимально необходимым IDE. Т.е. порог вхождения весьма льготный.
Лучшей средой разработки под Фортран по мнению многих пользователей остается Compaq Visual Fortran 6.6, последняя версия которого увидела свет в начале 2000-х. Почему же так сложилось, что среда, основанная на Visual Studio 6.0, которая без танцев с бубном заводится максимум на Windows XP 32 bit, и имеет ограничение на используемую память, снискала такую популярность среди фортранщиков. Ответ приведен на рисунке ниже.
Это Compaq Array Visualizer, который представляет собой очень удобный инструмент по визуализации 1, 2 и 3-х мерных массивов в процессе отладки программы непосредственно из дебаггера. Как говорится, попробовав раз, ем и сейчас. Дело в том, что Фортран сейчас используется в основном в науке (о чем будет сказано позже), в частности в той области, с которой я имею дело, а именно в физике атмосферы. При отладке программ массивы представляют собой различные метеорологические поля, такие как температура, давление, скорость ветра. Искать ошибку в графических полях гораздо проще, чем в наборе цифр, тем более, обычно известно, как примерно должно выглядеть поле, поэтому очевидные ошибки отсекаются моментально.
К сожалению, все наработки по компилятору перешли от Compaq к Intel. Intel первоначально поддерживала Array Visualizer, правда, уже те версии были бледным отражением продукта от Compaq, работать с ними было не так удобно, как прежде, но хотя бы минимальная работоспособность поддерживалась. Увы, Intel перестала разрабатывать новые версии Array Visualizer’а, поставив крест на этом удобнейшем инструменте. Именно поэтому фортрановское сообщество в основной своей массе пишет программы и занимается их отладкой под Compaq Visual Fortran на Windows, а боевые расчеты запускает на серверах под Linux, используя Intel-овские компиляторы. Интел, пожалуйста, услышь мольбы пользователей, верни нормальный инструмент для визуализации массивов в свой дебаггер!
Место Фортрана в современном мире
А сейчас мы подошли к той самой теме, которая обычно вызывает бурную дискуссию с моими коллегами, использующими Matlab, которые утверждают, что описанный в данном посте раритетный язык ни на что не годится. Тут я с ними не соглашусь. 
Дело в том, что Фортран исторически использовался в инженерных или научных расчетах, а потому со временем обрастал множеством готовых библиотек и кодами программ решения той или иной задачи.
Код в буквальном смысле передается из поколения в поколение, да еще и хорошо документируется. Можно найти множество готовых решений уравнений математической физики, линейной алгебры (здесь следует отметить удачную реализацию работы с матрицами), интегральных и дифференциальных уравнений и многого-многого другого. Наверное тяжело найти задачу из области физмат наук, для которой не был бы реализован алгоритм на языке Фортран. А если учесть отличную оптимизацию интеловских компиляторов под интеловские же процессоры, поддержку параллельных вычислений на высокопроизводительных кластерах, то становится понятно почему в научной среде этот язык занимает заслуженное первое место. Думаю, на любом суперкомпьютере можно найти установленный фортрановский компилятор.
Большинство серьезных моделей, по крайней мере из области физики атмосферы, написаны именно на Фортране. Да-да, прогноз погоды, которым каждый интересуется время от времени, получается в ходе расчетов моделей, написанных на этом языке. Более того, язык не находится в стагнации, а постоянно совершенствуется. Так, после описанных раннее стандартов 77 и 90, появились новые редакции 95, 2003, 2008, поддержка которых внедрена в актуальные компиляторы. Последние версии Фортрана несколько освежили старый проверенный временем язык, превнеся поддержку современного стиля, добавив объектно-ориентированное программирование, отсутствие которого было чуть ли не самым главным козырем противников этого языка. Более того, The Portland Group выпустила PGI CUDA Fortran Compiler, позволяющий проводить высокопараллельные расчеты на видеокартах. Таким образом, пациент более чем жив, а значит программисты на Фортран остаются востребованными до сих пор.
Вместо послесловия
А теперь я хотел бы вернуться к изначально затронутой теме об обучении программированию, и попытаться тезисно сформулировать основные плюсы Фортрана при выборе его в качестве первого языка.
История языков программирования: как Fortran позволил пользователям общаться с ЭВМ на «ты»
В 2017 году языку Fortran исполняется 60 лет. За это время язык несколько раз дорабатывался. «Современными» версиями считаются Fortran 90, 95, 2003 и 2008. Если изначально это был язык программирования высокого уровня с чисто структурной парадигмой, то в более поздних версиях появились средства поддержки ООП и параллельного программирования. На сегодняшний день Fortran реализован для большинства платформ.
До появления языка Fortran разработчики программировали, используя машинный код и ассемблер. Язык высокого уровня быстро набрал популярность, так как был прост в изучении и обеспечивал генерацию эффективного исполняемого кода. Это существенно упростило жизнь программистам.
В 1950 году, когда Джону Бекусу было 25 лет, он, получив степень магистра математики в Колумбийском университете, устроился программистом в фирму IBM. Вскоре он возглавил группу, разрабатывающую интерпретатор под названием «Быстрый кодировщик» для компьютера марки IBM-701. Затем он работал в составе группы по созданию более мощного преемника модели 701, машины IBM-704.
В 1953 году Бекус выступил с рационализаторской инициативой. Он предложил создать язык и компилятор к нему, которые должны были упростить программирование модели IBM-704. Система позволяла записывать программы в алгебраической форме, а компилятор должен был автоматически переводить ее в машинные коды.
С этим предложением Джон Бекус, как говорится, оказался в нужном месте, в нужное время. С опозданием выйдя на рынок, фирма IBM испытывала затруднения с увеличением сбыта своих компьютеров. По этой причине она поддерживала исследования по информатике в Колумбийском, Гарвардском и некоторых других университетах. Помимо этого, IBM и сама искала пути снижения стоимости программирования, а также пыталась упростить работу с компьютерами, чтобы сделать их более привлекательными, «дружественными» для пользователей.
Дело в том, что в то время с компьютерами работали в основном ученые, инженеры и преподаватели. Вычислительные машины использовались для научных расчетов. Однако эти люди испытывали большие сложности, так как приходилось использовать машинные коды и язык ассемблера. А это требовало довольно глубокого знания устройства и действия самого компьютера.
Поэтому они наверняка согласились бы изучить язык высокого уровня, особенно если бы он напоминал привычные им алгебраические формулы. Такие рассуждения подвигли IBM к разработке Fortran.
IBM-704
Исследователи фирмы IBM, создававшие Fortran, и не подозревали, насколько большое значение приобретет этот язык. Когда они в начале 1954 года приступили к работе, информатика развивалась стихийно, и каждый работал по наитию. Это привело к возникновению профессиональных программистов и специалистов по информатике.
Один из управляющих фирмы IBM решил, что из шахматистов получаются хорошие программисты, поэтому он заводил беседы с возможными кандидатами в программисты во время шахматных партий с одним из сотрудников фирмы IBM (который, кстати, был чемпионом США по шахматам).
Мало кто из восьми человек, занятых в разработке Fortran, был серьезно знаком с компьютерами. Они пришли из университетов и авиакомпаний, а также из собственных программистских групп IBM.
До колледжа Бекус был посредственным учеником («Я прошел больше школ, чем могу вспомнить»). После службы в армии во время второй мировой войны он оказался в Нью-Йорке, где поступил в школу радиотехники. «Пределом моих стремлений было сделать высококачественное звуковоспроизводящее устройство», — признался Бекус позднее,.
Однако преподаватель по ремонту телевизионной и радиоаппаратуры пробудил у Бекуса интерес к математике и убедил его продолжить учебу в Колумбийском университете. Так скромно началась одна из самых плодотворных карьер в истории вычислительной техники.
Итак, разработчики во главе с Бекусом расположились в штаб-квартире фирмы IBM на Мэдисон-авеню в Нью-Йорке.
Они выделили основные понятия нового языка, в частности оператор присваивания (например, N = 100), задававший переменным определенные значения, ввели индексируемые переменные, которые сообщали компьютеру, какой элемент из списка переменных нужен (например, X(3) означает третий элемент списка, названного X), предложили очень важный оператор DO, который позволял повторять нужную последовательность операторов заданное число раз.
Как заявлял Бекус, большинство людей считало, что основной вклад Fortran — это возможность писать программы в виде алгебраических формул, а не на машинном языке. Но на самом деле это не так. По его мнению, Fortran в первую очередь автоматизировал организацию циклов. Важность этой задачи при разработке научных приложений сложно переоценить. Работа над языком шла быстро.
Однако совсем другое дело — разработка компилятора. Бекус понимал, что развеять сомнения в возможностях «автоматического» программирования, то есть написания программ на языках высокого уровня нелегко. Это произойдет, когда программы, полученные с помощью Fortran, будут такими же быстродействующими и надежными, как и написанные в машинных кодах или на языке ассемблера, думал он.
По плану на разработку компилятора отводилось полгода, однако работа над ним заняла более двух лет.
В конце 1956 года и в 1957 году интенсивность работы по доводке и отладке компилятора резко возросла. В этот период члены группы часто снимали номер в ближайшей гостинице, где отсыпались днем, работая на машине по ночам, чтобы иметь возможно больше непрерывного машинного времени. Ошибки одна за другой устранялись, и в апреле 1957 года компилятор был готов для использования владельцами машины IBM-704.
«Большой конфуз»
По ошибке, которую Бекус назвал «большим конфузом», компилятор был послан в лабораторию «Вестингауз-Беттис» в виде колоды перфокарт и без каких-либо инструкций; что и позволило Гербу Брайту из лаборатории «Вестингауз-Беттис» запустить Fortran вслепую. Остальные пользователи получили систему на магнитной ленте вместе с руководством для оператора.
В одну из пятниц апреля 1957 года в компьютерный центр атомной лаборатории «Вестингауз-Беттис» возле Питтсбурга почтальон доставил загадочную посылку. Программист Херб Брайт и двое его коллег открыли ящик, на котором не было никаких пометок, и обнаружили там стопку примерно из 2 тысяч перфокарт, без единой инструкции.
Рассматривая перфокарты, Брайт вспомнил, что в IBM как раз шла окончательная отладка языка высокого уровня, предназначенного для использования на IBM-704. Может, почтальон принес именно этот долгожданный компилятор? Брайт и его друзья решили загрузить загадочные карты в компьютер и посмотреть, что получится.
Брайт вложил в считывающее устройство компьютера тестовую программу, написанную на Фортране, и нажал кнопку пуска. Новый компилятор выдал на принтер сообщение: «на карте № 25 обнаружена ошибка в операторе — пропущена запятая».
Программисты, привыкшие к запутанным сообщениям в виде числовых кодов, были поражены ясностью этой информации. Неверный оператор исправили и снова нажали кнопку пуска. Ленты начали вращаться, и компьютер выдал стопку перфокарт программы. Когда карты загрузили в считывающее устройство, заработал принтер и без остановки напечатал 28 страниц. Компьютер лишь слегка ошибся в формате выходных данных. «Но числа были правильными! Числа были правильными!» — восклицал позднее Брайт.
На самом деле, примерно в одно и то же время с Fortran’ом появилось еще два языка высокого уровня – Кобол и Алгол. Начиная с конца 50-х годов они долгое время лидировали в компьютерном мире. Большинство современных программ написано на языках, которые представляют собой потомки этих трех языков.
Распространение и адаптация
Но поначалу Fortran принимали без особой теплоты. Программисты, как вспоминал Бекус, «весьма скептично воспринимали все наши заявки». Однако по сравнению со своими предшественниками Fortran был сравнительно прост для обучения и использования.
Кроме того, фирма IBM снабжала все модели 704 Fortran’ом бесплатно. В результате к 1958 году более половины всех машинных команд на 60 компьютерах фирмы были получены не вручную, а «автоматически», с помощью нового языка высокого уровня.
Бекус понимал, что конкурирующие производители тоже займутся разработкой языков высокого уровня для своих вычислительных машин. Однако Fortran быстро стал нормой и его адаптировали для различных моделей ЭВМ. Первую адаптацию осуществила сама фирма IBM. Через пять лет Fortran использовался на шести различных моделях компьютеров фирмы IBM, а также на компьютерах компании «Сперри Рэнд», «Филко» и других.
Небольшая группа, в которую входил Дэвид Хеммис, за короткое время адаптировала Fortran к машине IBM-650, меньшей, чем IBM-704. Хеммис и его коллеги разработали систему «FORTRANSIT» (FOR TRANSIT — для перехода); позднее эти два слова слились в одно. Таким образом, система FORTRANSIT стала первым транслятором исходного, работающим на ЭВМ нескольких моделей.
Дэвид Хеммис – один из первых разработчиков компьютерных языков, за рулем своего автомобиля выпуска 1928 года. Фотография сделана в Уэстхемптоне (шт. Нью-Йорк) во время автомобильных гонок 1957 года.
Доработка
Тем не менее, работу над новым языком нужно было продолжать достаточно долго: это стало ясно еще в начале 1957 года, когда продолжался процесс отладки. Бекус и другие разработчики понимали, что язык нуждается в более точной системе диагностики программных ошибок. Кроме того, необходимо было реализовать возможность раздельного и независимого написания подпрограмм и программных модулей. Таким образом язык получил бы еще одно преимущество – повторное использование кода.
Благодаря усилиям разработчиков всего через год после создания оригинала появился Fortran II. Одно из достоинств нового языка состояло в том, что он позволял вставлять в программы фрагменты кода на ассемблере. Более поздняя версия, Fortran III, была создана в 1958 году. Про Fortran IV, который еще больше расширил возможности языка, стало известно в 1962 году.
Ядро языка, его основные операторы и выражения, оставались практически неизменными на протяжении многих лет. Но, поскольку Фортран многократно адаптировался ко все новым системам машин, для которых он не предназначался, постепенно накапливались отличия. Одни возможности терялись, новые возникали. Это неизбежно порождало путаницу.
Например, не все компиляторы одинаково истолковывали важнейший оператор DO: некоторые всегда выполняли цикл хотя бы один раз, не проверяя, нужно ли его вообще выполнять, другие осуществляли такую проверку. Чтобы навести порядок в подобных вопросах, производители и пользователи компьютеров договорились провести стандартизацию языка.
В 1966 году первый стандарт получил название Fortran 66. В 1977 году, соответственно, вышел стандарт Fortran 77. В 1991 году появился Fortran 90. Fortran 95 создан в 1997 году.
Fortran в СССР
В Советском союзе ко двору больше пришелся Алгол-60. Поэтому Fortran в этой стране появился позже. Тем не менее, постепенно он вышел на первое место по популярности. Были разработаны компиляторы (трансляторы) для большинства отечественных ЭВМ – «Минск-32», БЭСМ-4, БЭСМ-6, АС-6, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, МВК «Эльбрус» и так далее.
В ИПМ им. Келдыша в разное время было разработано несколько трансляторов. Два из них – Фортран-Алмо и Форшаг (Фортран шаговый) были написаны на языке Алмо и код генерировали на этом же языке. Это позволило установить трансляторы на несколько разнотипных ЭВМ. В обоих трансляторах реализован стандарт Fortran 66.
Форшаг также включал язык диалога, который позволил создавать, редактировать и выполнять трансляцию кода в диалоговом режиме. Помимо этого, был разработан комплекс графических программ для Фортрана – Графор, который активно использовался на различных ЭВМ.
Fortran и по сей день остается популярным среди научных работников. Это первый язык программирования высокого уровня, имеющий транслятор, получивший практическое применение и дальнейшее развитие. Как говорилось в руководстве фирмы IBM, выпущенном в 1957 году, «Fortran обеспечивает эффективный способ создания программ для модели 704, прост в обучении и не требует глубоких знаний в области ЭВМ».
С тех пор научные работники, инженеры и студенты получили возможность общаться с компьютером без помощи профессиональных программистов, пишущих на ассемблере.
Однако следующее поколение программистов стало относиться к Fortran’у как к «ископаемому». Эдсгер Дейкстра, язвительно отмечал, что обучение студентов этому языку должно приравниваться к серьезному преступлению.