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Python調(diào)用Fortran的三種形式

更新時間：2023年04月13日 09:24:59 作者：大作家佚名

這篇文章主要介紹了在Python中調(diào)用Fortran的三種形式，文中有詳細(xì)的代碼示例，感興趣的同學(xué)可以參考閱讀

1. 簡介

在一些研究領(lǐng)域很多經(jīng)典算法和工具都由上古語言Fortran編寫，而這部分代碼又沒有對應(yīng)的C/C++和Python版本。因此，掌握Python語言調(diào)用Fortran程序這一技能，在一些研究領(lǐng)域有助于我們站在巨人的肩上看的更遠(yuǎn)。Python調(diào)用Fortran可以總結(jié)為如下三種：
1）通過 F2PY：F2PY 是 NumPy 團(tuán)隊開發(fā)的一個工具，可以把 Fortran 程序轉(zhuǎn)換為 Python 模塊，從而在 Python 中調(diào)用 Fortran 程序。
2）通過 ctypes 庫：ctypes 是 Python 內(nèi)置的一個庫，可以用來調(diào)用外部 C 動態(tài)鏈接庫，因此也可以用于調(diào)用 Fortran 程序。通過 ctypes 可以讓 Python 調(diào)用 Fortran 程序，也可以從 Fortran 中調(diào)用 Python 函數(shù)。
3）利用Python的os包調(diào)用Fortran。

2. Python調(diào)用Fortran的三種方法

2.1 基于 F2PY的f2py調(diào)用Fortran

步驟1：

計算圓面積的Fortran函數(shù)。接下來將用下面的函數(shù)進(jìn)行演示。這里的例子是返回一個參數(shù)的，返回多個參數(shù)以及修改參數(shù)的Fortran用法。
Fortran77定義變量時候不用加::

function area_of_circle (r)  
! function result     
implicit none      
   ! dummy arguments        
   real :: area_of_circle   
   ! local variables 
   real :: r     
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)     
   area_of_circle = pi * r**2  
end function area_of_circle

或

function area_of_circle (r) result(a)
implicit none
   real :: a
   real :: r
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)
   a = pi * r**2
end

或

subroutine area_of_circle (r,a)
implicit none
   real, intent(out) :: a
   real, intent(in) :: r
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)
   a = pi * r**2
end

步驟2：

新建circle.f90后，在終端中運(yùn)行如下代碼：

python -m numpy.f2py -c circle.f90 -m circle

具體步驟如下圖，然后可以看到生成的circle.cpython-36m-x86_64-linux-gnu.so

步驟3：

在Python中，可以直接import上面的函數(shù)名

import circle
print(circle.__doc__)
print(circle.area_of_circle(2))

注意上面的__doc __是f2py自動生成的，可以看到fortran模塊里面包含幾個函數(shù)，每個函數(shù)里面還可以再調(diào)用doc看到接口參數(shù)類型。

2.2 使用動態(tài)鏈接庫調(diào)用Fortran

步驟1：

修改上面的Fortran代碼，用result返回函數(shù)結(jié)果，指定輸入和返回數(shù)據(jù)類型。

function area_of_circle(r) result(area) bind(c, name='area_of_circle')
    use iso_c_binding
    implicit none
    real(c_double) :: area
    real(c_double), intent(in) :: r
    real :: pi
    pi = 4 * atan (1.0)
    area = pi * r**2
end function area_of_circle

步驟2：

如2.1節(jié) 所示，在系統(tǒng)終端或者Pycharm終端中輸入命令：

 gfortran -shared circle2.f90 -o circle2.so

步驟3：

編寫Python調(diào)用腳本

import ctypes as ct

# import the shared library
fortlib = ct.CDLL('./circle2.so')

# Specify arguments and result types
fortlib.area_of_circle.argtypes = [ct.POINTER(ct.c_double)]
fortlib.area_of_circle.restype = ct.c_double

# Create a double and pass it to Fotran (by reference)
a = ct.c_double(2)
b = fortlib.area_of_circle(ct.byref(a))
print(b)

2.3 利用Python的os包調(diào)用Fortran

步驟1：

以2.1節(jié)中的Fortran代碼為例，稍作修改，這種方式需要Fortran代碼是完整的程序可編譯為可執(zhí)行程序。下面代碼包含了主函數(shù)，即調(diào)用函數(shù)的函數(shù)主體。

program calling_func
   real :: a
   a = area_of_circle(2.0)
   Print *, "The area of a circle with radius 2.0 is"
   Print *, a
end program calling_func

function area_of_circle(r)
! function result
implicit none
   ! dummy arguments
   real :: area_of_circle
   ! local variables
   real :: r
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)
   area_of_circle = pi * r**2
end function area_of_circle

步驟2：

編譯和調(diào)用，Windows系統(tǒng)注意修改路徑，以及可執(zhí)行程序名后綴應(yīng)該是exe，Linux可執(zhí)行程序后綴可以是out或者沒有。

import os
#編譯
os.system(r"gfortran  ./circle3.f90 -o circle")
#調(diào)用編譯的circle程序
os.system('./circle')

上述代碼就是類似于Windows中調(diào)用cmd。

3. 總結(jié)

方法1：比較推薦，針對Python編程，如果返回數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，也不是太方便；
方法2：過于繁瑣不推薦；
方法3：是一種需要首先編譯出可執(zhí)行程序然后調(diào)用，交互性不方便。如果將輸入輸出寫為固定文件，然后由Python生產(chǎn)輸入文件，由Python讀取輸出文件，也是一種比較好的選擇。

到此這篇關(guān)于Python調(diào)用Fortran的三種形式的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python調(diào)用Fortran內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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