Fortran

Was ist Fortran?

Fortran ist eine imperative Programmiersprache, die seit fast 70 Jahren zur Erstellung leistungsstarker, effizienter und präziser Anwendungen, insbesondere in wissenschaftlichen Bereichen, verwendet wird. Sie hat im Laufe der Jahre viele Änderungen und Aktualisierungen erfahren, was sie zu einer beliebten Wahl für High-Performance Computing (HPC), wissenschaftliche, numerische und technische Berechnungen und andere Anwendungen macht.

Obwohl viele Entwickler Fortran heute als Legacy-Sprache betrachten, wird sie auch heute noch in der Wissenschaft, in Supercomputing-Einrichtungen und in Regierungsbehörden verwendet.

Entstehung und Entwicklung von Fortran

In den 1950er Jahren leitete John Backus ein Entwicklerteam, das für IBM an der Entwicklung der Sprache arbeitete. Frustriert von der Langwierigkeit, Computeranweisungen in binärer oder hexadezimaler Arithmetik zu schreiben, machten sich die IBM-Mitarbeiter daran, eine Sprache zu entwickeln, die Englisch mit mathematischen Gleichungen in einer Kurzschriftform kombinierte. Das Ergebnis war Formula Translation (kurz Fortran), eine Sprache, die die Art und Weise, wie Menschen und Computer kommunizieren, grundlegend veränderte.

Im Laufe der Jahre wurde Fortran mehrfach aktualisiert und mit jeder Überarbeitung um neue Funktionen erweitert. Die verschiedenen Versionen umfassen Folgendes:

• Fortran I (1957). Erlaubte grundlegende Berechnungen, Zuweisungen, Steuerungen, Unterprogramme und Eingabe/Ausgabe.
• Fortran II (1958). Hinzugefügt wurden benutzerdefinierte Funktionen und Unterprogramme, komplexe Zahlen und zusätzliche Genauigkeit.
• Fortran III (1958). Hinzugefügt wurden maschinenspezifische Anweisungen, benannte Konstanten und bedingte Kompilierung.
• Fortran IV (1962). Maschinenspezifische Funktionen wurden entfernt und logische Typen, logische Ausdrücke und do-Schleifen hinzugefügt.
• Fortran 66 (1966). Dies war die erste standardisierte Version von Fortran, auch bekannt als ANSI X3.9-1966.
• Fortran 77 (1978). Hinzugefügt wurden strukturierte Programmierung und Zeichendaten wie Zeichenketten (Strings) und Dateien sowie implizite Typisierung, If-Then-Else-Blöcke und Parameteranweisungen.
• Fortran 90 (1991). Hinzugefügt wurden Array-Programmierung, modulare Programmierung und generische Programmierung. Außerdem wurden benutzerdefinierte Datentypen, dynamischer Speicher und Module hinzugefügt.
• Fortran 95 (1997). Hinzugefügt wurde die parallele Verarbeitung von Arrays über mehrere Prozessoren hinweg.
• Fortran 2003 (2004). Hinzugefügt wurde die objektorientierte Programmierung, die die Definition von Klassen, Vererbung, Polymorphismus und dynamische Verteilung ermöglichte. Außerdem wurden C-Kompatibilität, Typenerweiterung, parametrisierte abgeleitete Typen, verzögerte Bindung, Prozedurzeiger, Eingabe/Ausgabe und IEEE-Arithmetik hinzugefügt.
• Fortran 2008 (2010). Es wurden Coarrays hinzugefügt, die eine parallele Verarbeitung unter Verwendung eines Shared-Memory-Modells ermöglichten. Außerdem wurden Funktionen wie Submodule, Coarray-Teams und -Kollektive sowie Block-Konstrukte integriert.
• Fortran 2018 (2018). Es wurde natives paralleles Rechnen mit Coarrays oder Teams mit Bildern hinzugefügt. Außerdem enthält es kollektive Subroutinen, atomare Operationen, Ausnahmebehandlung und C++-Interoperabilität.

Vorteile von Fortran

Der Hauptvorteil von Fortran ist seine Effizienz und Genauigkeit bei numerischen Operationen. Aufgrund seiner Präzision eignet es sich gut für wissenschaftliche Forschung, Ingenieurprojekte, Simulationen und mathematische Operationen. Die Debugging-Unterstützung erleichtert den Einstieg in die Sprache sowie die Arbeit an großen Projekten, die Geschwindigkeit und Genauigkeit erfordern. Sie ermöglicht Entwicklern die schnelle Erstellung von Prototypen mit minimalen Fehlern und spart Zeit beim Debugging.

Entwickler können Fortran auch mit anderen Programmiersprachen wie C++ oder Python über Bibliotheken wie Matlab oder SciPy verwenden. Diese Kompatibilität ermöglicht es, die Stärken beider Sprachen in einem Programm zu kombinieren. Fortran ist plattformübergreifend mit Linux, Windows und macOS kompatibel.

Da es sich bei Fortran um Open-Source-Software handelt, können neue Benutzer die Sprache mit Tutorials oder der offiziellen Dokumentation erlernen. Sie verfügt über eine einfache Syntax und Grammatik und weniger Schlüsselwörter und Sonderzeichen als andere Sprachen, was die Komplexität und Verwirrung für Anfänger verringert. Die Sprache hat auch eine lange Geschichte der Codewiederverwendung, was bedeutet, dass es bereits viele Bibliotheken und Module für verschiedene Aufgaben und Probleme gibt. Die Fortran-Community ist groß und aktiv und bietet hilfreiche Ressourcen und Unterstützung beim Lernen und bei der Fehlerbehebung.

Wie Fortran funktioniert

Fortran ist eine kompilierte Sprache, das heißt sie ist nicht direkt ausführbar. Stattdessen wird sie vom Compiler in Assemblersprache und dann in Maschinensprache umgewandelt, bevor sie ausgeführt werden kann. Bei diesem Prozess wird der Code in Teile zerlegt und in Computerbefehle übersetzt. Sobald dies geschehen ist, kann das Programm ausgeführt werden.

Zusätzlich zu diesem Kompilierungsprozess enthält Fortran auch intrinsische Funktionen, die vordefinierte Operationen wie mathematische Berechnungen, Array-Manipulation und Textmanipulation bereitstellen. Diese Funktionen bieten schnelle Lösungen für gängige Aufgaben, ohne dass zusätzlicher Code von Grund auf neu geschrieben werden muss. Fortran unterstützt eine Vielzahl von Datentypen, darunter Ganzzahlen, reelle Zahlen und komplexe Zahlen. Es ermöglicht mehrdimensionale Arrays, die mehrere Elemente in jeder Dimension enthalten. Arrays sind nützlich, um große Datenmengen auf organisierte Weise zu speichern und die Datenmanipulation zu erleichtern.

Anwendung von Fortran

Fortran wird zur Entwicklung von Anwendungen für eine Vielzahl von Aufgaben in modernen Programmierumgebungen verwendet. Aufgrund seiner Skalierbarkeit und Geschwindigkeit eignet es sich gut für High-Performance Computing (HPC), groß angelegte Simulationen und komplexe Berechnungen.

In den Naturwissenschaften kann Fortran physikalische Prozesse wie Strömungsdynamik oder Aerodynamik modellieren. Anwendungen zur Datenanalyse und -visualisierung verwenden Fortran häufig aufgrund seiner Fähigkeit, große Datenmengen zu verarbeiten. Im Finanzsektor kann Fortran Finanzmodellierungsaufgaben wie Risikomanagement oder Portfolioanalyse durchführen.

Fortran eignet sich auch für die Entwicklung von Anwendungen für eingebettete Systeme wie Mikrocontroller oder digitale Signalprozessoren. Die Luftfahrtindustrie verwendet die Sprache aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Genauigkeit häufig für die Flugsimulation. Auch Raumfahrtagenturen verwenden sie zur Simulation von Raumfahrzeugbahnen und -missionen.

Außerdem wird Fortran in großem Umfang von Supercomputern in forschungsbezogenen Bereichen wie der Quantenmechanik oder der Astrophysik eingesetzt. Aufgrund seiner Leistung auf parallelen Architekturen eignet es sich gut für Berechnungen mit großen Datenmengen, die ein hohes Maß an Präzision erfordern.

Wie sich Fortran von C++, C und Python unterscheidet

Fortran ist eine imperative Programmiersprache, die sich in vielerlei Hinsicht von anderen gängigen Sprachen wie C++, C und Python unterscheidet. Einer der Hauptunterschiede ist die dynamische Speicherzuweisung. Fortran verfügt über keine automatischen Mechanismen zur Zuweisung oder Freigabe von Speicher, sodass Benutzer ihre eigene Speichernutzung manuell verwalten müssen. Dies kann Programme effizienter machen, aber auch schwieriger zu schreiben.

Auch die Syntax von Fortran hebt es von anderen Sprachen ab. Während C++ und C prozedurale Sprachen sind, ist Fortran eine Mischung aus prozeduraler und objektorientierter Programmiersyntax. Dies erleichtert es Entwicklern, komplexe Berechnungen oder Simulationen, die mehrere Datenobjekte mit unterschiedlichen Eigenschaften erfordern, schnell zu programmieren.

Fortrans Bandbreite an intrinsischen Funktionen und die Unterstützung für Parallelverarbeitung zeichnen die Sprache ebenfalls aus, wodurch sie sich besonders für umfangreiche Berechnungen eignet. Da Fortran mit anderen Sprachen zusammenarbeitet, können Entwickler hybride Umgebungen erstellen, die die beste Sprache für die jeweilige Aufgabe auswählen.

Fortrans Einfluss auf die Datenverarbeitung

Fortran wird auch mehr als 60 Jahre nach seiner Entwicklung noch von Entwicklern verwendet, was zeigt, dass es sich um ein starkes Erbe handelt. Als eine der ersten imperativen Sprachen ebnete sie den Weg für viele moderne Programmiersprachen, die heute verwendet werden. Fortran hat in seiner Zeit dazu beigetragen, viele Bereiche der Datenverarbeitung voranzutreiben, von der Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zur Wettervorhersage. Computerhistoriker betrachten sie aufgrund ihrer einfachen Syntax und geradlinigen Struktur als die erste Sprache, die das Programmieren auch für Nichtfachleute zugänglich machte.

Darüber hinaus verwenden einige Universitäten Fortran als Einführungssprache für Studierende, um das Programmieren zu erlernen. Die Sprache ermöglicht es Studierenden, Erfahrungen mit grundlegenden Programmierkonzepten zu sammeln, bevor sie zu komplexeren Programmiersprachen wie Python oder C++ übergehen.