面试题：Fortran与Python混合编程之数据传递

Question

在Fortran与Python混合编程中，如何实现Fortran函数将一个数组传递给Python函数，并在Python中正确接收和处理？请简述关键步骤及可能用到的库或工具。

Answer 1

1. 关键步骤
   • Fortran端：
     • 编译Fortran代码为共享库（.so文件，在Linux系统下，Windows下为.dll）。Fortran编译器如Gfortran支持生成共享库，例如使用-shared选项。假设我们有一个Fortran函数subroutine pass_array(a,n)，其中a是要传递的数组，n是数组的大小。
     • 在Fortran函数中确保数组的存储方式适合传递，Fortran数组默认按列存储。
   • Python端：
     • 使用合适的库来加载Fortran生成的共享库。常用的库有ctypes和f2py。
     • 对于ctypes：
       • 加载共享库，例如from ctypes import CDLL; lib = CDLL('path/to/your/library.so')。
       • 定义Fortran函数的参数和返回类型，lib.pass_array.argtypes = [POINTER(c_double), c_int]（假设数组是双精度类型）。
       • 调用Fortran函数，在Python中创建对应的数组对象并传递给Fortran函数。例如，使用numpy创建数组，import numpy as np; a = np.array([1.0, 2.0, 3.0], dtype=np.float64); a_p = a.ctypes.data_as(POINTER(c_double)); n = len(a); lib.pass_array(a_p, n)。
     • 对于f2py：
       • f2py是一个由NumPy提供的工具，它可以自动生成Python接口代码。在Fortran源文件所在目录下运行f2py -c -m your_module your_fortran_file.f90，其中your_module是生成的Python模块名，your_fortran_file.f90是Fortran源文件。
       • 在Python中导入生成的模块，import your_module，然后可以直接调用模块中的函数，例如a = np.array([1.0, 2.0, 3.0], dtype=np.float64); result = your_module.pass_array(a)。
2. 可能用到的库或工具
   • ctypes：Python的内置库，用于调用C语言编写的共享库，也能用于调用Fortran生成的共享库，提供了较为底层的接口来处理数据类型和函数调用。
   • f2py：由NumPy提供的工具，专门用于Fortran与Python的混合编程，自动生成Python接口代码，使用相对简单，更适合Fortran与Python的数据交互，特别是处理数组等数据结构。