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出版者:黄河水利出版社

作者:周振红

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:2005-11

价格:26.00元

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isbn号码:9787806219942

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Fortran 90/95 高级程序设计：迈向高性能计算的深度探索 在计算科学与工程的广阔领域中，Fortran 语言以其卓越的数值计算性能和悠久的历史，始终占据着不可动摇的地位。从最初的科学计算基石，到如今支持现代并行计算和面向对象特性的强大工具，Fortran 的演进反映了高性能计算发展的脉络。《Fortran 90/95 高级程序设计》一书，正是基于这一背景，为致力于深入理解和掌握 Fortran 语言精髓，并将其应用于解决复杂、大规模计算问题的读者，提供了一套系统而详实的指导。 本书并非对 Fortran 语言基础语法的简单罗列，而是聚焦于 Fortran 90 和 Fortran 95 标准带来的核心改进和高级特性，旨在引领读者超越基础编程的范畴，进入性能优化、代码结构设计以及与现代计算环境集成的高级层面。书中详尽阐述了 Fortran 90/95 标准引入的模块化编程、数据结构、指针、动态内存管理、面向对象编程初探，以及面向高性能计算的关键技术，如数组运算、向量化、并行计算模型等。 模块化编程：构建清晰、可维护的代码体系 Fortran 90/95 标准最大的革新之一便是引入了模块（modules）。本书将深入剖析模块的定义、接口、私有与公有属性，以及如何利用模块组织代码、实现信息隐藏和重用。读者将学习如何将相关的子程序、函数、变量和数据类型封装在一个模块中，从而构建出结构清晰、易于维护和扩展的程序。通过对模块机制的透彻理解，可以有效避免全局变量带来的混乱，提高代码的可读性和可管理性，尤其是在大型项目中，模块化编程的优势愈发凸显。 数据结构与指针：灵活处理复杂数据 除了 Fortran 传统的数组和基本数据类型，本书还将深入探讨 Fortran 90/95 中引入的更为灵活的数据结构。例如，用户定义类型（derived types）允许开发者创建自定义的数据结构，将相关的数据项组合在一起，极大地增强了数据表示的能力。更重要的是，书中将详细讲解指针（pointers）的概念及其应用。指针提供了直接访问内存地址的能力，这在实现动态数据结构（如链表、树）、构建高效算法以及与 C/C++ 等语言进行交互时至关重要。读者将学习如何声明、分配、解引用指针，以及处理指针相关的潜在问题，例如空指针和野指针。 动态内存管理：应对不断变化的需求 在处理需要动态分配内存的场景时，Fortran 90/95 提供的动态内存管理机制将是本书的重点。读者将学习如何使用 `ALLOCATE` 和 `DEALLOCATE` 语句来动态地分配和释放数组和其他数据结构所占用的内存。这使得程序能够根据运行时需求灵活地调整内存使用，避免了固定大小数组带来的内存浪费或溢出风险。通过对动态内存管理的掌握，可以编写出更具适应性和效率的程序，特别是在处理不确定大小的数据集或构建复杂数据结构时。 面向对象编程的初步探索 虽然 Fortran 并非一门典型的面向对象语言，但 Fortran 2003 及后续标准引入了一些面向对象的特性。本书将为读者勾勒出 Fortran 在面向对象编程方面的初步探索，包括类型扩展（extending types）、类（classes）以及一些基础的继承和多态概念。理解这些特性，可以帮助读者在 Fortran 程序中更好地模拟现实世界中的对象，实现更抽象的代码设计，为进一步学习更高级的面向对象编程范式打下基础。 高性能计算的核心：数组运算与向量化 Fortran 语言的强大之处在于其对数组运算的天然支持。本书将深入挖掘 Fortran 90/95 在数组运算方面的优化特性，包括数组赋值、数组构造、数组切片以及数组函数。读者将学习如何利用这些特性编写出简洁、高效的数组操作代码，并理解编译器如何自动对这些数组操作进行向量化处理，从而充分利用现代处理器中的 SIMD（Single Instruction, Multiple Data）指令，实现显著的性能提升。 并行计算的基石：OpenMP 与 MPI 在当今高性能计算领域，并行计算是不可或缺的组成部分。本书将重点介绍两种主流的并行计算模型在 Fortran 中的应用。 OpenMP（Open Multi-Processing）：作为一种共享内存并行编程模型，OpenMP 允许开发者通过简单的指令（pragma）来并行化代码，无需修改程序的整体结构。本书将详细讲解 OpenMP 的指令、线程管理、同步机制（如临界区、锁）、工作共享以及数据共享属性，使读者能够有效地将 Fortran 程序并行化，充分利用多核处理器的计算能力。 MPI（Message Passing Interface）：对于分布式内存并行计算，MPI 是事实上的标准。本书将系统介绍 MPI 的通信原语，包括点对点通信（如 `MPI_SEND` 和 `MPI_RECV`）以及集体通信（如 `MPI_BCAST`、`MPI_REDUCE`、`MPI_SCATTER`、`MPI_GATHER`）。读者将学习如何设计和实现分布式算法，通过进程间的消息传递来协作完成计算任务，从而构建能够运行在超级计算机等大规模并行系统上的高性能应用程序。 性能优化与调试技巧 除了语言特性的深入讲解，本书还将提供宝贵的性能优化和调试技巧。读者将学习如何利用性能分析工具（profilers）来识别程序的瓶颈，理解编译器优化选项的作用，以及如何通过代码结构和算法的调整来进一步提升执行效率。同时，书中还将介绍 Fortran 程序中常见的错误类型和调试策略，帮助读者快速定位和解决程序中的问题，确保程序的正确性和稳定性。 实战案例分析 为了巩固所学知识，本书将穿插大量精心设计的实战案例。这些案例涵盖了科学计算、工程模拟、数据分析等多个领域，从简单的数组处理到复杂的并行算法实现，都将通过具体的代码示例进行演示。通过分析和实践这些案例，读者将能够更直观地理解 Fortran 90/95 高级特性的实际应用，并学会如何将这些知识迁移到自己的项目中。 面向读者 《Fortran 90/95 高级程序设计》适用于以下读者群体： 已经掌握 Fortran 90/95 基础知识，希望进一步提升编程技能的程序员。 从事科学计算、工程模拟、数据分析等领域的工程师和研究人员。 对高性能计算感兴趣，希望学习如何利用 Fortran 实现高效并行程序的开发者。 需要阅读和维护遗留 Fortran 代码，并希望进行现代化的改进的专业人士。 通过对本书的学习，读者将能够： 熟练运用 Fortran 90/95 的高级特性，编写出更清晰、模块化、可维护的代码。 深入理解和掌握数组运算、指针、动态内存管理等关键技术。 掌握 OpenMP 和 MPI 的编程模型，实现 Fortran 程序的并行化，大幅提升计算性能。 具备分析和优化 Fortran 程序性能的能力。 能够独立设计和实现解决复杂计算问题的 Fortran 应用程序。 《Fortran 90/95 高级程序设计》是一本集理论、实践与前沿技术于一体的权威著作，它将是您迈向高性能计算领域，成为一名优秀的 Fortran 程序员的理想指南。

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这本书的语言风格非常严谨，几乎没有丝毫的冗余信息，每一个句子都像经过了精确的编译和校验。对于已经有一定编程基础，尤其是熟悉其他静态语言的读者来说，这本书提供了一个绝佳的视角来审视Fortran语言在现代计算环境下的演进。我特别喜欢它在介绍新特性时，总是会对比前一个版本的局限性，这种对比分析极大地增强了学习的动机和理解的深度。例如，当它阐述Fortran 95在数据类型和过程接口方面的改进时，那种对前代语言痛点的精准把握，让人感同身受。阅读这本书的过程，更像是在和一位经验丰富、知识渊博的导师进行一对一的交流，他从不敷衍，总是直接切入问题的核心，迫使读者必须跟上其思维的节奏，否则很容易在复杂的数学符号和程序结构中迷失方向。

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这本书的封面设计和装帧给我留下了深刻的印象，那种经典的理工科教材的风格，厚实而可靠，让人一看就知道这是本下过真功夫的著作。我当时拿到它的时候，正好在为我手头那个需要复杂数值计算的项目寻找一本能真正深入到Fortran底层机制的书籍，市面上很多教材都停留在基础语法介绍，而我急需的是那种能指导我如何写出高性能、高效率代码的“内功心法”。这本书的排版清晰，公式推导详尽，图表的使用也很恰当，尤其是在处理大型矩阵运算和并行化策略的章节，作者的逻辑梳理能力令人赞叹。我花了大量时间去研读它关于模块化编程和面向对象特性的探讨，这对我理解如何构建健壮、可维护的大型科学计算程序体系结构非常有启发。尽管初读时会感到一定的挑战性，但这恰恰说明了其内容的深度和广度，它并非那种囫囵吞枣就能读完的入门读物，而是需要细心品味、反复实践的工具书。

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坦白说，这本书的难度曲线是陡峭的，它对读者的先验知识有一定的要求，比如对编译原理、线性代数和数值方法的基础概念需要有所涉猎。我第一次翻阅时，花了很大的力气去理解其中关于递归子程序和数据结构封装的章节，感觉每读一页都需要停下来在草稿纸上画流程图或写点辅助代码进行验证。但这种“硬啃”的过程是值得的，因为它培养了一种严谨的、面向大型计算问题的思维模式。它成功地将Fortran从一个“老旧的科学计算语言”的刻板印象中解脱出来，展示了其在现代高性能计算（HPC）领域中依然保持的强大生命力和简洁性。书中的案例虽然抽象，但其背后蕴含的设计思想是通用的，教会我如何用Fortran的范式去解决实际的工程难题，而不是仅仅停留在语法层面的复制粘贴。

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这本书的价值远超于一本技术手册的范畴，它更像是一份深入Fortran世界观的导览图。我发现，很多我过去依靠“感觉”来编写的代码，在这本书的指导下，找到了更规范、更高效的实现方式。比如，关于外部函数接口（Interoperability）的处理，书中提供的多套方案的优缺点分析非常透彻，帮助我为项目选择了最合适的集成策略。此外，书中对错误处理机制的讨论，也让我对编写健壮的程序有了新的认识，学会了如何利用语言内置的工具来捕获和管理运行时错误，而不是仅仅依赖外部的调试器。总的来说，这本书提供了一种结构化的知识体系，它不仅教会你“如何做”，更重要的是让你理解“为什么应该这样做”，这对于任何想在科学计算领域深耕的人来说，都是一份不可多得的宝藏。

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我是在一个非常特定的应用背景下接触到这本书的，当时我负责的仿真模型对计算精度和速度的要求达到了极致，传统的C++库在某些特定的并行架构上表现不如预期，于是我决定重拾并深化对Fortran 90/95特性的挖掘。这本书最吸引我的地方在于它对现代Fortran标准中那些被很多初学者忽略但对性能至关重要的特性进行了深入剖析。例如，它对`ALLOCATABLE`数组、指针操作以及内在函数集（Intrinsic Functions）的深入探讨，为我优化内存访问模式提供了直接的指导。我尤其欣赏其中关于数组切片（Array Slicing）和隐式并行处理（Implicit Parallelism）的章节，作者不仅仅是描述了语法，更是结合了编译器优化的视角，解释了为什么某些写法会比其他写法快上好几倍。这种从理论到实践，再到性能调优的全链路解析，使得这本书更像是一本高级工程师的实战手册，而不是象牙塔里的理论书籍。

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