陳彥瑾

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京）

前言

Fortran 語言是世界上最早出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)高級編程語言，在科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域相比其他編程語言更具優(yōu)勢。即使在計(jì)算機(jī)語言發(fā)展到今天的多元時(shí)代，F(xiàn)ortran 語言仍在廣泛使用[1-2]。因此，完善其使用方法或功能，還是有一定意義的。

王柯等[1]基于Fortran 語言，分析了糧堆溫度、水分含量、儲糧害蟲增長量以及殺蟲劑濃度衰減的變化。楊成坤等[2]研發(fā)地下及井中探測軟件平臺，其中很多模塊由Fortran 語言編寫。齊云飛、胡凡[3]基于Fortran與VB 混合編程建立了水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。很多高校至今仍將Fortran 語言列為本科生教學(xué)主干課程[4]。

使用靜態(tài)鏈接庫對部分程序進(jìn)行封裝是常用的手段之一，使用很廣泛。本文主要介紹在Fortran PowerStation 4.0 環(huán)境下建立靜態(tài)鏈接庫，利用主程序調(diào)用靜態(tài)庫的方法，并結(jié)合示例程序介紹該方法的使用。

1 Fortran 靜態(tài)鏈接庫建立方法

1.1 建立靜態(tài)鏈接庫項(xiàng)目工作空間

首次建立靜態(tài)鏈接庫項(xiàng)目工作空間時(shí)，需要在Fortran Powerstation 4.0 環(huán)境下打開 Microsoft Developer Studio，執(zhí)行File-New 命令，在彈出的新建(New)窗口中選擇項(xiàng)目工作空間(Project Workspace)，如圖1 所示，點(diǎn)擊OK 后在New Project Workspace 對話框中選擇項(xiàng)目類型(Type)為Static Library(靜態(tài)鏈接庫)，輸入項(xiàng)目文件名稱如Sub，軟件默認(rèn)的文件存儲位置為“C:MSDEVProjects”，點(diǎn)擊Creat 后會在Projects 目錄（即文件夾，以下所謂“目錄”均指文件夾）下生成名為Sub 的項(xiàng)目文件夾，Sub 目錄內(nèi)生成Sub.mak 文件。這時(shí)，靜態(tài)鏈接庫的項(xiàng)目工作空間已經(jīng)建立完成，接下來就可以準(zhǔn)備輸入靜態(tài)庫程序代碼。

圖1 Fortran Powerstation 4.0 新建文件建立方法

1.2 編寫靜態(tài)鏈接庫程序代碼

執(zhí)行File-New 命令，在新建文件對話框中選擇Text File (或工具欄中選擇New Source File)，生成Text1 文件，文件類型保存(File-Save)為Sublib.for，然后輸入程序代碼。靜態(tài)鏈接庫的程序代碼與一般子程序的編寫規(guī)則完全一樣。程序代碼編寫完成并存盤后，執(zhí)行工具欄中Compile 命令 (或菜單欄Bulid-Compile Sublib.for)編譯Fortran 程序，此時(shí)彈窗提示“This File is not included in the Project”，確認(rèn)添加即可。

Fortran Powerstation 4.0 軟件默認(rèn)的編譯模式是Win32 Debug 模式，信息欄中提示編譯正常通過之后，會在Sub 目錄下建立Debug 文件夾并生成Sublib.obj 文件。執(zhí)行工具欄中Build 命令 (或菜單欄Bulid-Bulid Sublib.lib)建立鏈接庫，在Debug 目錄下生成Sub.lib 文件，此文件即為新建立的靜態(tài)鏈接庫文件。由于鏈接庫文件一般不需要經(jīng)常修改，只要聲明程序接入點(diǎn)便可使用，因此可以在編譯程序時(shí)選擇Release 模式，以提高執(zhí)行效率。此時(shí)會對應(yīng)生成Release 目錄及相應(yīng)的obj 和lib 文件。

如果用來做靜態(tài)鏈接庫的程序代碼已存在，即Sublib.for 文件已有，就只需要將其添加到靜態(tài)庫項(xiàng)目工作空間中去。建立好的項(xiàng)目工作空間(即Projecct Workspace-Static Library)后，執(zhí)行菜單欄Insert-Files into Project 命令，在彈出的對話框中找到Sublib.for 程序代碼，點(diǎn)擊OK。執(zhí)行Compile 和Bulid 命令后，會對應(yīng)在Sub 文件夾的debug 或Release 目錄生成Sublib.obj 和Sub.lib 文件。

1.3 主程序調(diào)用靜態(tài)鏈接庫

主程序代碼中不包含鏈接庫代碼，主程序調(diào)用時(shí)只要知道鏈接庫中子程序名稱或模塊名稱即可。假定此時(shí)靜態(tài)庫Sub.lib 文件已經(jīng)生成，主程序也已經(jīng)完成。剩下的工作就是如何運(yùn)行主程序，并調(diào)用靜態(tài)庫，完成相應(yīng)計(jì)算任務(wù)。

在主程序代碼Program Main 后添加語句“!MS$OBJCOMMENT LIB:'Sub.lib'”可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)庫的添加。其中“！”在此處是偽注釋的用法，用來聲明將Sub.lib鏈接庫文件添加到主程序中。該行在編譯的過程中并不是注釋語句，可以與編譯器進(jìn)行通訊，不可缺失。

當(dāng)主程序調(diào)用（靜態(tài)庫中的）子程序，如Sub1 時(shí)，只需在主程序代碼中需要調(diào)用Sub1 的位置使用Call sub1 語句來聲明調(diào)用子程序，其中Sub1 為子程序名。當(dāng)然，需要注意的是需將名為Sub.lib 的鏈接庫文件存放到主程序所在的目錄下連接時(shí)才可以搜索到。此時(shí)，便可打開主程序，如A.for，執(zhí)行Bulid 命令，可以看到編譯連接成功，即可執(zhí)行Bulid Execute A.exe，主程序會調(diào)用靜態(tài)庫中子程序Sub1 完成計(jì)算。

1.4 含Module 模塊的靜態(tài)鏈接庫

一些程序封裝為模塊使用起來可能更方便，只要在主程序代碼中使用Use ModD 語句就可調(diào)用模塊中相應(yīng)函數(shù)及子程序，其中ModD 為模塊名。將Module模塊編譯為靜態(tài)庫時(shí)，同樣要先建立Static Library 類型的名為Module 項(xiàng)目工作空間。含Module 模塊的靜態(tài)庫程序代碼Mod.for 結(jié)構(gòu)如下：

Module ModD

Contains

……

End Subroutine

End Module

中間省略的代碼為子程序代碼，需要指出此時(shí)子程序結(jié)束語句應(yīng)當(dāng)用End Subroutine 而不能采用省略Subroutine 的End 形式。依次執(zhí)行Compile 和Bulid 命令，在Debug 或Release 目錄下會生成modd.mod、Mod.obj 文件和Module.lib 文件。擴(kuò)展名mod 文件為模塊，lib 文件為靜態(tài)庫文件。

主程序接入含Module 模塊的靜態(tài)庫時(shí)首先使用語句“!MS$ OBJCOMMENT LIB: 'Module.lib'”添加靜態(tài)庫，使用模塊時(shí)需要用Use ModD 語句聲明使用，使用Call sub 命令可調(diào)用相應(yīng)的子程序。此處需要注意的是，應(yīng)將modd.mod 模塊文件和Module.lib 鏈接庫文件同時(shí)存放到主程序的目錄下。

鏈接庫可以嵌套使用，因此在將Module 模塊編譯為鏈接庫時(shí)也可調(diào)用其他靜態(tài)庫。

2 靜態(tài)鏈接庫的更新維護(hù)

由于不同問題的復(fù)雜性，往往要對程序進(jìn)行不斷改進(jìn)來適應(yīng)更多的情況，因此就需要對已經(jīng)生成的靜態(tài)鏈接庫進(jìn)行不定期的更新和維護(hù)。

首先確認(rèn)Sub.mdp 及Sub.mak 文件存在，執(zhí)行菜單欄File-Open Workspace 命令，在Open Project Workspace 窗口中打開sub.mdp 文件，在項(xiàng)目空間樹形菜單中雙擊Sublib.for 可修改程序代碼文件，修改存盤后執(zhí)行Bulid 命令就可以在Debug 或Release 目錄下建立新的Sub.Lib 文件。

需要指出，靜態(tài)庫進(jìn)行更新維護(hù)后，重新生成了Sub.lib 文件。需將此新靜態(tài)庫文件存放到主程序目錄下，而且主程序在使用前必須重新編譯連接生成新的A.exe。這是因?yàn)榕f的可執(zhí)行程序A.exe 是將更新前的鏈接庫程序編譯到了A.exe 中，如果只重新鏈接或只執(zhí)行舊的可執(zhí)行程序，則調(diào)用的鏈接庫仍為上次編譯的更新前的內(nèi)容，因此，必須重新編譯連接主程序代碼生成新的A.exe 方可使用新靜態(tài)庫。

3 靜態(tài)鏈接庫使用示例

本節(jié)結(jié)合Fortran 語言編寫的有限元計(jì)算程序中一部分功能，詳細(xì)介紹使用靜態(tài)鏈接庫的具體步驟。

示例子程序的功能為：通過讀取線彈性材料的彈性常數(shù)彈性模量E 和泊松比ν，形成有限元法中使用的物理方程的彈性矩陣D，計(jì)算公式如式（1）。

矩陣D 完全由E 和ν 決定，可以把由E 和ν形成D 的過程建立為靜態(tài)庫，主程序只要提供材料的E 和ν 值，通過調(diào)用靜態(tài)庫中對應(yīng)的子程序SubD 即可得到材料彈性矩陣D。子程序代碼見表1。

表1 材料彈性矩陣D 子程序

建立名為Sub 項(xiàng)目類型為Static Library 的項(xiàng)目文件目錄，添加鏈接庫程序代碼Sublib.for，以Win32 Release 模式執(zhí)行Compile 及Bulid 命令，編譯連接程序后會在Sub 目錄下生成Sub.mak，sub.mdp 文件，Release 目錄下生成Sub.lib、Sublib.obj 文件，其中Sub.lib 即是所需要的靜態(tài)庫文件，主程序調(diào)用時(shí)只要在程序代碼中聲明程序接入點(diǎn)即可調(diào)用鏈接庫中子程序。

在主程序中使用語句“!MS$ OBJCOMMENT LIB:'Sub.lib'”調(diào)用靜態(tài)庫，使用Call SubD 語句調(diào)用靜態(tài)庫中相應(yīng)子程序。主程序代碼如表2 所示。

表2 材料彈性矩陣D 子程序

用Microsoft Developer Studio 打開主程序代碼Main.for 文件，確認(rèn)之前項(xiàng)目空間關(guān)閉后，執(zhí)行Compile 和Bulid 命令，編譯鏈接主程序代碼。注意，此處需將Sub 文件夾Release 目錄下的Sub.lib 文件存放到當(dāng)前主程序目錄下，主程序調(diào)用鏈接庫時(shí)才可搜索到。當(dāng)鏈接庫中含有Module 模塊時(shí)，項(xiàng)目空間建立方法，需要將Modd.mod 模塊和Module.lib 鏈接庫文件一并放到主程序目錄下方可鏈接成功。本例輸入文件E-v.dat 數(shù)據(jù)為第一行2；第二行為50000.0，0.30；第三行為100000.0，0.25。

執(zhí)行Bulid-Bulid Execute Main.exe，輸出上述兩種材料的6*6 的彈性矩陣D，說明主程序調(diào)用Sub.lib鏈接庫的SubD 子程序形成矩陣D 是成功的。主程序得到的矩陣D 結(jié)果如下：

4 結(jié)論

本文詳細(xì)的介紹了在Fortran Powerstation 4.0 環(huán)境下建立靜態(tài)鏈接庫并在主程序中調(diào)用靜態(tài)庫里子程序的使用方法，主要結(jié)論如下：

(1) 本文介紹的靜態(tài)鏈接庫的建立和使用十分方便，可方便地用于大型程序中通用子程序的封裝，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

(2) 靜態(tài)鏈接庫可以包含多個(gè)子程序及Module模塊，靜態(tài)庫之間也可以嵌套使用，主程序亦可以同時(shí)調(diào)用多個(gè)靜態(tài)庫，其適用性很強(qiáng)。

(3) Fortran Powerstation4.0 環(huán)境下使用靜態(tài)鏈接庫方法十分簡單，只需在主程序代碼中添加一行語句，編譯連接主程序就可以使用。