面试题：Fortran文件读取与复杂数据处理

Question

假设有一个二进制文件，里面存放了一系列的结构体数据，每个结构体包含一个字符串（长度不定）、一个整数数组（长度为5）和一个双精度浮点数。编写Fortran程序从该文件中读取数据，并计算每个结构体中整数数组元素的平均值，将结果保存在另一个文件中。请详细说明文件读取、结构体定义以及数据处理的过程，并给出主要代码。

Answer 1

1. 结构体定义

在Fortran中，我们可以使用TYPE语句来定义结构体。对于这个问题，结构体需要包含一个长度不定的字符串、一个长度为5的整数数组和一个双精度浮点数。

TYPE :: my_struct
    CHARACTER(:), ALLOCATABLE :: str
    INTEGER, DIMENSION(5) :: int_array
    DOUBLE PRECISION :: double_num
END TYPE my_struct

2. 文件读取

要读取二进制文件，我们使用OPEN语句打开文件，并指定ACCESS = 'DIRECT'和FORM = 'UNFORMATTED'，因为文件是二进制格式。对于不定长字符串，我们需要先读取字符串的长度，然后再读取字符串内容。

INTEGER :: i, unit_in, unit_out, len_str
TYPE(my_struct) :: data
! 打开输入文件
OPEN(NEWUNIT = unit_in, FILE = 'input.bin', ACCESS = 'DIRECT', FORM = 'UNFORMATTED', &
     RECL = 5 * SIZEOF(INTEGER) + SIZEOF(DOUBLE PRECISION))
! 打开输出文件
OPEN(NEWUNIT = unit_out, FILE = 'output.txt')
DO i = 1, 100 ! 假设文件中有100个结构体，实际应根据文件大小动态获取
    ! 读取字符串长度
    READ(unit_in, REC = i) len_str
    ALLOCATE(CHARACTER(len_str) :: data%str)
    ! 读取字符串
    READ(unit_in, REC = i) data%str
    ! 读取整数数组
    READ(unit_in, REC = i) data%int_array
    ! 读取双精度浮点数
    READ(unit_in, REC = i) data%double_num
    ! 处理数据并写入输出文件
    CALL process_and_write(data, unit_out)
    DEALLOCATE(data%str)
END DO
CLOSE(unit_in)
CLOSE(unit_out)

3. 数据处理

计算整数数组元素的平均值，并将结果写入输出文件。

CONTAINS
SUBROUTINE process_and_write(data, unit_out)
    TYPE(my_struct), INTENT(IN) :: data
    INTEGER, INTENT(IN) :: unit_out
    DOUBLE PRECISION :: avg
    avg = SUM(data%int_array) / 5.0
    WRITE(unit_out, *) avg
END SUBROUTINE process_and_write

完整代码

PROGRAM read_binary_struct
    TYPE :: my_struct
        CHARACTER(:), ALLOCATABLE :: str
        INTEGER, DIMENSION(5) :: int_array
        DOUBLE PRECISION :: double_num
    END TYPE my_struct
    INTEGER :: i, unit_in, unit_out, len_str
    TYPE(my_struct) :: data
    ! 打开输入文件
    OPEN(NEWUNIT = unit_in, FILE = 'input.bin', ACCESS = 'DIRECT', FORM = 'UNFORMATTED', &
         RECL = 5 * SIZEOF(INTEGER) + SIZEOF(DOUBLE PRECISION))
    ! 打开输出文件
    OPEN(NEWUNIT = unit_out, FILE = 'output.txt')
    DO i = 1, 100 ! 假设文件中有100个结构体，实际应根据文件大小动态获取
        ! 读取字符串长度
        READ(unit_in, REC = i) len_str
        ALLOCATE(CHARACTER(len_str) :: data%str)
        ! 读取字符串
        READ(unit_in, REC = i) data%str
        ! 读取整数数组
        READ(unit_in, REC = i) data%int_array
        ! 读取双精度浮点数
        READ(unit_in, REC = i) data%double_num
        ! 处理数据并写入输出文件
        CALL process_and_write(data, unit_out)
        DEALLOCATE(data%str)
    END DO
    CLOSE(unit_in)
    CLOSE(unit_out)
CONTAINS
SUBROUTINE process_and_write(data, unit_out)
    TYPE(my_struct), INTENT(IN) :: data
    INTEGER, INTENT(IN) :: unit_out
    DOUBLE PRECISION :: avg
    avg = SUM(data%int_array) / 5.0
    WRITE(unit_out, *) avg
END SUBROUTINE process_and_write
END PROGRAM read_binary_struct

此代码首先定义了结构体，然后打开二进制输入文件和文本输出文件。在循环中，从二进制文件读取每个结构体的数据，计算整数数组的平均值，并将结果写入文本文件。最后关闭两个文件。process_and_write子例程负责计算平均值并写入文件。注意，假设输入文件中的记录布局是先存放字符串长度，再存放字符串、整数数组和双精度浮点数。同时假设文件中有100个结构体，实际应用中应根据文件的实际大小来动态获取结构体的数量。