Fortran变量属性与模块实体属性详解

# Fortran变量属性与模块实体属性详解 ## 1. 异步输入/输出相关变量属性 ### 1.1 异步属性（ASYNCHRONOUS） 异步输入/输出涉及的变量数量通常较少。识别这些变量能让编译器在对其他变量进行优化时拥有更多自由度。 一个在多个作用域单元中可访问的变量，可能在某些作用域单元中具有 `ASYNCHRONOUS` 属性，而在其他单元中不一定有。这是因为该属性并非变量本身固有的，而是与变量和当前执行代码（输入/输出）的关系有关。在异步输入/输出期间，可能存在一些作用域单元可以执行，而另一些则不能。`ASYNCHRONOUS` 属性是少数几个同一变量在不同作用域单元中可能不同的属性之一。 如果一个对象具有 `ASYNCHRONOUS` 属性，那么它的所有子对象也具有该属性。 `ASYNCHRONOUS` 属性可以在类型声明语句或 `ASYNCHRONOUS` 语句中指定。`ASYNCHRONOUS` 语句的形式为： ```fortran ASYNCHRONOUS [ [ :: ] variable-name-list ] ``` #### 规则和限制 1. 如果同时满足以下两个条件，变量在某个作用域单元中必须具有 `ASYNCHRONOUS` 属性： - 变量出现在该作用域单元的任何可执行语句或规范表达式中（单纯声明变量不算使用）。 - 当变量参与异步输入/输出时，该作用域单元中的任何语句被执行。 2. 在作用域单元的异步输入/输出语句中使用变量会隐式赋予其 `ASYNCHRONOUS` 属性。编译器无需显式声明就能识别这种情况，但允许进行确认性的显式声明。 #### 示例 - 面向实体的声明： ```fortran REAL, ASYNCHRONOUS :: BUFFER(2048) ``` - 面向属性的声明： ```fortran ASYNCHRONOUS :: INPUT_BUFFER, OUTPUT_BUFFER ``` ### 1.2 易变属性（VOLATILE） `VOLATILE` 属性表示变量可能会以程序中未指定的方式被使用或修改。它与 `ASYNCHRONOUS` 属性类似，都用于识别可能参与不明显进程的变量。不过，`VOLATILE` 属性与其他 Fortran 语言特性没有直接关系，它便于与 Fortran 语言范围之外的未指定进程进行交互。 如果指针是易变的，那么可能的修改包括指针关联状态、数组边界以及其目标的值。 如果一个对象具有 `VOLATILE` 属性，那么它的所有子对象也具有该属性。 `VOLATILE` 属性可以在类型声明语句或 `VOLATILE` 语句中指定。`VOLATILE` 语句的形式为： ```fortran VOLATILE [ [ :: ] variable-name-list ] ``` #### 示例 - 面向实体的声明： ```fortran REAL, VOLATILE :: SHARED_MEMORY_REGION(2048) ``` - 面向属性的声明： ```fortran VOLATILE :: SEMAPHORE ``` `VOLATILE` 属性的一个典型应用是识别由单独程序或内存映射硬件设备共享内存的变量。虽然建立这样的共享内存区域超出了标准 Fortran 的范围，但 `VOLATILE` 属性提供了一种标准语法来适应它们的存在。 如果一个变量是易变的，处理器每次引用该变量时都应从内存中获取其值，即使之前已经获取过该值，并且在此期间该值没有明显的变化方式。示例代码如下： ```fortran subroutine wait_for_value(i) integer, intent(out), volatile :: i i = 0 do if (i /= 0) return end do end subroutine wait_for_value ``` 如果没有 `VOLATILE` 属性，这个子程序显然永远不会返回，编译器也有理由这样假设。有了该属性，就有可能某个独立进程会使变量 `i` 变为非零值。 同样，每次定义变量时，处理器都应将其值存储在内存中，即使没有明显的对该值的引用，或者之前已经存储过相同的值。因为独立进程可能正在监视或修改同一个内存位置。 ## 2. 模块实体属性 ### 2.1 公共和私有可访问性（PUBLIC 和 PRIVATE） `PUBLIC` 和 `PRIVATE` 属性统称为可访问性属性，它们控制标识符是否可以通过使用关联进行访问。这些属性适用于模块作用域单元中已知的标识符。具有 `PUBLIC` 属性的标识符可以通过使用关联在模块外部访问；而具有 `PRIVATE` 属性的标识符不能通过使用关联从该模块外部访问，但仍可以在模块内部访问。标识符通常是名称，但也可以包括通用规范。 可访问性仅适用于特定的标识符，而不是所标识的实体。一个实体可以通过多个标识符被知晓，将一个实体的标识符声明为 `PRIVATE` 并不一定排除通过其他标识符访问该实体。 标识符的可访问性属性可以通过以下几种方式指定： - 在类型声明语句或过程声明语句中指定。 - 在派生类型语句中指定派生类型名称的可访问性。 - 使用 `PUBLIC` 和 `PRIVATE` 语句（可访问性语句）指定一些无法通过其他方式指定可访问性的实体（如子程序、通用说明符和命名列表组）的可访问性，还可以指定模块中标识符的默认可访问性。 可访问性语句的形式为： ```fortran PUBLIC [ [ :: ] access-id-list ] PRIVATE [ [ :: ] access-id-list ] ``` 其中 `access-id` 可以是 `use-name` 或 `generic-spec`。通用规范（`generic-spec`）可以是通用名称、运算符、赋值或派生类型输入/输出通用规范。 #### 规则和限制 1. 可访问性属性只能在模块的规范部分（`CONTAINS` 之上的部分）指定。 2. 使用名称可以是变量、过程、派生类型、命名常量或命名列表组的名称。 3. 在模块的作用域单元中，只允许有一个没有访问 ID 列表的可访问性语句。 4. 模块可以为通过使用关联从其他模块访问的标识符指定可访问性属性，这是对一般禁止重新指定通过使用关联访问的标识符属性规则的一个例外。可以将可访问性看作是控制特定模块是否导出该实体，而不是实体本身的属性。 如果某个模块实体的可访问性未明确指定，则该模块的默认可访问性将应用于该实体。模块的默认可访问性由没有访问 ID 列表的可访问性语句指定；如果没有这样的语句，默认可访问性为 `PUBLIC`。 #### 示例 - 面向实体的声明： ```fortran REAL, PUBLIC :: GLOBAL_X type, private :: local_data logical :: flag real, dimension (100) :: density end type local_data ``` - 面向属性的声明： ```fortran REAL GLOBAL_X PUBLIC GLOBAL_X TYPE LOCAL_DATA LOGICAL FLAG REAL DENSITY (100) END TYPE LOCAL_DATA PRIVATE LOCAL_DATA ``` - 更改默认可访问性： ```fortran MODULE M PRIVATE REAL R, K, TEMP (100) ! R, K, TEMP 是私有的。 REAL, PUBLIC :: A(100), B(100) ! A, B 是公共的。 ... END MODULE M ``` - 通过不同名称的可访问性： ```fortran module ```