Fortran 90借用C++函数模板

毕苏萍，周振红，赫晓慧

(1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州450001;2.郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001)

0 引言

在计算机科学与技术领域，泛型编程(Generic Programming)具有广泛的意义.用泛型编程先驱(Alexander Stepanov)的话来说:泛型编程是对算法、数据结构进行抽象和分类，其目标是递增式构造实用、高效、抽象的算法、数据结构的系统目录结构或框架［1］.简言之，泛型编程是将算法、数据结构由具体的实例提升到一般、抽象的形式，使之可以操作不同的数据类型.

C++提供了模板(包括类模板和函数模板)，并逐步积累有相对完善的标准模板库STL［2］，对泛型编程给予了很好的支持.Fortran从77到90［3］、2003［4］对泛型编程的支持不断加强，但直至2008也没能提供模板工具［5］.假如 Fortran 90借用C++函数模板能够获得成果，那么无疑会极大地拓展C++的应用空间，给科学与工程计算增添新的活力.笔者就此展开探讨，示例程序测试环境:C++为 VC 6.0，Fortran 90为 Compaq Visual Fortran 6.6.

1 C++特殊的重载函数簇—函数模板

C++支持函数重载，允许在参数表不同的前提下于同一编译单元定义几个同名函数，调用时依据参数表最佳匹配的原则自动选择合适的函数.比如在编程计算中，1/2整数除结果为0，1.0/2.0实数除结果为0.5，笔者用两个重载函数予以验证(当中的参数采取引用传递，和Fortran 90的参数传递保持一致):

int divid(int＆a，int＆b){return a/b;}

float divid(float＆a，float＆b){return a/b;}.

测试上列重载函数的主函数为:

void main(void){

int a=1，b=2;float x=1.0，y=2.0;

cout＜＜ ″1/2=″＜＜ divid(a，b) ＜＜ endl;//整数除

cout＜＜″1.0/2.0=″＜＜ divid(x，y) ＜＜endl;}//实数除.程序运行结果为:

1/2=0

1.0/2.0=0.5.

观察上列重载函数，不难发现两个特点:①是接口类同，惟有函数结果、参数的数据类型不同;②是算法相同.在这种情况下，将上列重载函数抽象为一个函数模板、用一个泛型T代替函数结果、参数的数据类型:

template＜typename T＞//亦可用class代替typename声明函数模板中的泛型

T divid(T＆a，T＆b){return a/b;}//divid，a，b的类型均为泛型T

同样的测试主函数，当调用divid(a，b)函数时构造的是divid＜int＞函数模板实例，而当调用divid(1.0，2.0)函数时则构造的是divid＜float＞函数模板实例，分别与整型和实型重载函数divid相当，所以测试结果与上列重载函数的相同.说明上列重载函数与函数模板的效果完全相同，从而证明，可以将函数模板看成是一特殊的重载函数簇.

2 Fortran 90模拟C++函数重载

要模拟C++函数重载，有必要先回顾一下Fortran 90接口块的引入.Fortran 90共有4种程序单元:主程序、外部例程(子程序和函数统称为例程)、模块和数据块，当被调程序为外部例程时，为使编译器产生正确调用，Fortran 90要求在调用程序中建立被调外部例程的接口块，以明确其接口信息:例程名、例程实现机制(函数，或者子程序)、函数类型、参数的类型、属性及传递方式.当被调外部例程接口简单时，是否在调用程序中建立其接口块是可选的;当接口复杂时，建立其接口块就成为必须的.比如:外部函数返回数组或变长字符串，参数中有可选参数，有假定形状数组、指针或目标属性参数，有例程参数(即例程作参数，类似于C语言中的函数指针作参数)等.接口块的构造形式为:

Interface

Function/Subroutine例程名 (形参表)!接口

形参声明(包括函数结果类型声明)

End Function/Subroutine

End Interface.

Fortran 90不直接支持例程重载，不允许定义同名的外部例程，但允许将几个外部例程接口置于同一接口块内，并给接口块命名、以接口块名作为各个外部例程的统称，调用时依据接口匹配的原则自动选择相对应的外部例程，从而推出了支持泛型编程的接口块(姑且称为泛型接口块).

Interface泛型接口块名

接口体

End Interface.

其中，接口体由几个外部例程或者模块例程接口构成.

下面用Fortran 90实现前述C++函数重载示例.首先，用外部例程(函数)div_int和div_real分别实现C++整数除和实数除重载函数，其实现代码只比各自的接口多一行.

div_int=x/y或div_real=x/y

包含其泛型接口块(divid)的主程序为:

PROGRAM test_overloading

Implicit None

Interface divid!泛型接口块

Integer Function div_int(x，y)!外部例程接口

Integer，Intent(IN)::x，y

End Function

Real Function div_real(x，y)!外部例程接口

Real，Intent(IN)::x，y

End Function

End Interface

WRITE(* ，*)'1/2='，divid(1，2)!整数除

WRITE(* ，*)'1.0/2.0='，divid(1.0，2.0)!实数除

END PROGRAM.程序运行结果为:

1/2=0

1.0/2.0=0.500 000 0.

调用程序使用了统一的泛型接口块名divid，而真正调用的是与接口匹配的div_int、div_real外部例程或称为“重载”例程;C++尽管重载函数名称相同，但由于编译时增加的特殊修饰其目标函数名并不相同，这样才有可能依据不同的参数表调用与之匹配的重载函数.可见:这里的外部例程加泛型接口块与C++重载函数的效果是相同的.

3 C++函数模板实例化为“重载”例程

无论是C++的重载函数还是C++的函数模板，都只有在C++环境中才能直接调用或实例化，即便在其子集C语言中也无法直接使用.推想背后的道理，可能是编译器的功能所致.C++编译器能够添加特殊的命名修饰，据此可以判明对应的重载函数或构造不同的函数模板实例;C编译器无此功能，所以它不支持函数重载或函数模板，C++的重载函数或函数模板也禁止使用C链接(其作用是消除C++编译器的特殊命名修饰).

前面笔者已经探讨过:Fortran 90在泛型接口块的支持下，可以将普通外部例程当作是C++的重载函数，进而也可以看成是C++函数模板实例.这样一来，如果设法在C++环境中将函数模板实例化为 Fortran 90“重载”例程，就可采取C++与 Fortran的混合编译［6］，从而在 Fortran 90环境中使用C++函数模板.循这一思路，在前述C++函数模板示例代码下面增加包装子

extern ″C″{

int__stdcall DIV_INT(int＆a，int＆b){return divid(a，b);}

float__stdcall DIV_REAL(float＆a，float＆b){return divid(a，b);}}

为使接口与Fortran 90的“重载”例程接口保持一致，上列设置采取C链接、__stdcall调用约定、大写命名约定及引用参数传递方式.此处的包装子有两个作用:对内，实例化函数模板;对外，承担Fortran 90“重载”例程.

将前述C++函数模板和包装子单独保存为一个文件(.cpp)，并与 Fortran 90主程序文件(.f90)置于同一项目.程序运行结果，与模拟C++函数重载示例的结果相同.

4 结论

将C++函数模板看成接口相似、算法相同的特殊重载函数簇，在泛型接口块支持下，将Fortran 90外部例程模拟成C++重载函数，然后在C++环境中添加包装子，将函数模板实例化成Fortran 90“重载”例程，进而在Fortran 90环境中以正常方式使用C++函数模板.像C等其它语言要借用C++函数模板，也可采取同样的思路.

［1］ALEXANDER A.STEPANOV.Generic programming［EB/OL］.http://www.stepanovpapers.com/，2012.5.22.

［2］DAVID V，NICOLAI M J.C++Templates:The Complete Guide［M］.Addison Wesley，2003.

［3］周振红，郭恒亮，张君静，等.Fortran 90/95高级程序设计［M］.郑州:黄河水利出版社，2005.

［4］Fortran 2003 standard［EB/OL］.http://www.j3-fortran.org/doc/year/04/04-007.pdf，2012.5.22.

［5］CHIVERS S.Introduction to programming with fortran with coverage of fortran 90，95，2003，2008 and 77［M］.Springer，2012.

［6］任慧，周振红，张成才.Fortran与C/C++的混合编译［J］.计算机工程与设计，2007，28(17):4096-4098、4111.