Fortran输入输出处理全解析

### Fortran 输入输出处理全解析 #### 1. Fortran 输入输出语句概述 Fortran 拥有一系列强大的输入输出语句，它们与字符内置函数结合，能有效形成一种字符串处理语言。这些输入输出语句包括： - READ - PRINT - WRITE - OPEN - CLOSE - INQUIRE - BACKSPACE - ENDFILE - REWIND - WAIT - FLUSH 这些语句各自有着不同的功能： | 语句 | 功能 | | --- | --- | | READ | 数据传输输入语句，用于将数据从外部文件传输到内部存储，或从内部文件传输到内部存储。 | | WRITE 和 PRINT | 数据传输输出语句，用于将数据从内部存储传输到外部介质，或从内部存储传输到内部文件。 | | OPEN 和 CLOSE | 文件连接语句。 | | INQUIRE | 用于查询文件和连接属性。 | | BACKSPACE、ENDFILE 和 REWIND | 文件定位语句。 | 大部分输入输出操作与程序执行是同步进行的，但也支持异步输入输出。异步输入输出允许处理器启动数据传输后继续进行计算，直到后续的等待操作使输入输出操作同步，这通常被称为“缓冲输入输出”。异步输入输出常用于在处理大数据集的部分数据时，同时对其他部分进行计算。不过，程序员需要注意系统相关的输入输出限制，特别是在对具有特殊属性的设备进行输入输出时，如终端、管道或盖革计数器等设备。 #### 2. 基本输入输出概念 数据集合通常存储在流文件或记录文件中。 - **记录文件**：数据被组织成一系列记录，大多数数据传输语句处理整个记录。 - **流文件**：数据由一系列文件存储单元组成，大多数流数据传输语句一次只处理几个存储单元。 文件存储单元是无格式记录的基本记录长度单位，也是任何外部文件的长度单位。标准建议文件存储单元为 8 位八位字节，大多数实现都遵循这一建议，其值由 ISO_FORTRAN_ENV 内置模块中的命名常量 FILE_STORAGE_SIZE 给出。 历史上，文件的定义便于处理磁带，磁带单元有物理上的“记录”概念，磁带按顺序一次处理一个记录。随着 Fortran 和输入输出系统的改进，Fortran 的文件处理功能不断增加，但基本的面向记录的文件处理仍然是大多数输入输出的基石。现代面向磁盘的文件系统通常使用不同的“记录”概念，它们通常将记录分块成自然的磁盘块（扇区或磁道）以提高输入输出效率。 由于流文件和记录文件在处理器上可能有不同的物理表示，因此在程序的不同部分或不同程序中，可能无法同时以流输入输出和记录输入输出的方式打开同一个文件。同样，直接访问文件和顺序访问文件通常也有不同的表示，访问方式可能仅限于一种。文件和记录的属性不依赖于它们在硬件上的存储方式。 #### 3. 记录文件 记录文件是一系列记录的序列，记录的大小可以不同，有些或所有记录可以为空，文件甚至可以没有记录。记录分为三种类型： - **格式化记录**：包含一系列字符，可由人在终端输入或由 Fortran 程序将值转换为字符串创建。读取格式化数据时，字符会被转换为计算机内部的值表示，通常是二进制表示。格式化记录的长度是其中字符的数量，长度可以为零。处理器可能会禁止在格式化文件中使用某些控制字符，以避免与记录标记或文件结构冲突。 - **无格式记录**：只包含无格式数据，通常以计算机内存中的存储形式表示。无格式记录通常由运行 Fortran 程序创建，无格式数据在外部设备上占用的空间通常较少，读写速度也更快，因为不需要进行转换。但它不适合人类阅读，并且由于值的内部表示依赖于机器，通常也不适合在不同计算机之间轻松传输数据。无格式数据记录的长度以文件存储单元为单位测量，长度可以为零。 - **文件结束记录**：文件中最多有一个文件结束记录，且总是文件的最后一个记录，用于标记文件的结束。可以使用 ENDFILE 语句显式写入，也可以通过文件定位语句（REWIND 或 BACKSPACE 语句）或关闭文件隐式写入。文件结束记录只有在文件以顺序访问方式连接时才能读写，它不一定在文件中有物理表示，可能只是文件管理系统中的一个记账条目，其形式依赖于处理器。 #### 4. 流文件 流文件是一系列文件存储单元的序列，可根据文件的不同以格式化或无格式访问方式连接。与记录文件不同，流文件没有记录导向，这使其具有多个优点： - 设计用于与 C 语言互操作，也能与几乎任何非 Fortran 文件结构配合使用。 - 对于某些应用程序，如标准化文件交换格式（如图形图像文件），具有更直观的结构。 - 没有最大记录长度限制，随机访问比 Fortran 的直接访问文件更灵活。 但使用流文件时，程序员通常需要更加小心，处理更多细节。当流文件以无格式访问方式连接时，没有记录的概念，每个文件存储单元可以单独读写，且每个文件存储单元都有唯一的位置编号。有些流文件可以使用位置编号定位到特定位置，而有些则不能。在创建格式化流文件时，程序员可以使用 NEW_LINE 内置函数在文件中插入记录标记，使文件除了流结构外还有记录结构。格式化流文件中的每个字符都有唯一的位置编号，但由于可能存在记录标记，并非所有位置编号都对应文件中的字符。如果要将格式化流文件定位到初始点以外的位置，必须使用带有 POS 说明符的 INQUIRE 语句的结果。 #### 5. 外部文件和内部文件 文件主要分为两类： - **外部文件**：位于外部设备上，如磁盘、磁带或计算机终端。每个外部文件都有一组允许的访问方法、允许的形式、允许的操作和允许的记录长度。这些特性通常由文件创建者的请求、操作系统的操作以及文件所在设备的细节共同决定。外部文件连接到单元后具有位置属性，除非文件位于文件的开头或结尾，否则记录文件位于当前记录（开头或结尾），在某些情况下位于当前记录内部，而流文件位于文件存储单元之间。文件可以有名称，但文件名的允许形式取决于处理器。 - **内部文件**