面试题：Fortran与并行计算及互操作性

使用MPI进行并行化

初始化MPI环境：在Fortran程序开始部分，使用USE MPI语句引入MPI模块，然后调用MPI_Init函数初始化MPI环境。例如：

PROGRAM mpi_example
    USE MPI
    IMPLICIT NONE
    INTEGER :: ierr
    CALL MPI_Init(ierr)
    ! 后续MPI相关代码
    CALL MPI_Finalize(ierr)
END PROGRAM mpi_example

进程间通信：可以使用MPI_Send和MPI_Recv函数进行消息传递。假设要将数组A从进程0发送到进程1：

INTEGER, PARAMETER :: N = 100
REAL :: A(N)
INTEGER :: rank, size
CALL MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, rank, ierr)
CALL MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, size, ierr)
IF (rank == 0) THEN
    ! 初始化数组A
    A = [(REAL(i), i = 1, N)]
    CALL MPI_Send(A, N, MPI_REAL, 1, 0, MPI_COMM_WORLD, ierr)
ELSE IF (rank == 1) THEN
    CALL MPI_Recv(A, N, MPI_REAL, 0, 0, MPI_COMM_WORLD, MPI_STATUS_IGNORE, ierr)
    ! 处理接收到的数组A
END IF

并行计算：可以根据进程号rank和进程总数size对数据进行划分，实现并行计算。例如，计算数组元素之和：

REAL :: local_sum, global_sum
local_sum = 0.0
DO i = rank + 1, N, size
    local_sum = local_sum + A(i)
END DO
CALL MPI_Reduce(local_sum, global_sum, 1, MPI_REAL, MPI_SUM, 0, MPI_COMM_WORLD, ierr)
IF (rank == 0) THEN
    WRITE(*,*) 'Global sum:', global_sum
END IF

使用OpenMP进行并行化

引入OpenMP库：在支持OpenMP的Fortran编译器中，通过编译选项（如-fopenmp）启用OpenMP支持。在代码中，使用USE OMP_LIB语句引入OpenMP库。
并行区域：使用!$OMP PARALLEL指令定义并行区域。例如，并行计算数组元素之和：

PROGRAM omp_example
    USE OMP_LIB
    IMPLICIT NONE
    INTEGER, PARAMETER :: N = 100
    REAL :: A(N), local_sum, global_sum
    INTEGER :: i
    ! 初始化数组A
    A = [(REAL(i), i = 1, N)]
    global_sum = 0.0
    !$OMP PARALLEL PRIVATE(local_sum) REDUCTION(+:global_sum)
    local_sum = 0.0
    !$OMP DO
    DO i = 1, N
        local_sum = local_sum + A(i)
    END DO
    !$OMP END DO
    global_sum = global_sum + local_sum
    !$OMP END PARALLEL
    WRITE(*,*) 'Global sum:', global_sum
END PROGRAM omp_example

Fortran与C语言互操作关键要点及实现方式

数据类型匹配： Fortran和C语言的数据类型需要对应。例如，Fortran的INTEGER对应C语言的int，Fortran的REAL对应C语言的float等。需要注意不同编译器和平台上数据类型的字节大小。
函数调用约定： Fortran和C语言的函数调用约定可能不同。在Fortran中调用C函数，需要使用BIND(C)属性声明函数，在C语言中调用Fortran函数，需要注意Fortran函数名的命名规则（通常在Unix系统下函数名会自动添加下划线）。
数组传递： Fortran数组是按列存储，C语言数组是按行存储。在传递数组时需要注意这一点。可以通过转置数组或者使用Fortran的ISO_C_BINDING模块中的c_ptr和c_f_pointer函数来处理。

互操作代码示例

Fortran调用C函数： C代码（example.c）：

#include <stdio.h>

void add(int *a, int *b, int *result) {
    *result = *a + *b;
}

Fortran代码（example.f90）：

PROGRAM call_c_function
    USE ISO_C_BINDING
    IMPLICIT NONE
    INTEGER(C_INT) :: a, b, result
    INTERFACE
        SUBROUTINE add(a, b, result) BIND(C, NAME = "add")
            IMPORT :: C_INT
            INTEGER(C_INT), INTENT(IN) :: a, b
            INTEGER(C_INT), INTENT(OUT) :: result
        END SUBROUTINE add
    END INTERFACE
    a = 3
    b = 5
    CALL add(a, b, result)
    WRITE(*,*) 'The result of addition is:', result
END PROGRAM call_c_function

编译和链接：

gcc -c example.c
gfortran -c example.f90
gfortran -o example example.o example.f90
./example

C调用Fortran函数： Fortran代码（example_f.f90）：

PROGRAM call_fortran_from_c
    IMPLICIT NONE
    CONTAINS
    SUBROUTINE multiply(a, b, result) BIND(C, NAME = "multiply")
        INTEGER, INTENT(IN) :: a, b
        INTEGER, INTENT(OUT) :: result
        result = a * b
    END SUBROUTINE multiply
END PROGRAM call_fortran_from_c

C代码（example_c.c）：

#include <stdio.h>

extern void multiply_(int *, int *, int *);

int main() {
    int a = 4, b = 6, result;
    multiply_(&a, &b, &result);
    printf("The result of multiplication is: %d\n", result);
    return 0;
}

编译和链接：

gfortran -c example_f.f90
gcc -c example_c.c
gfortran -o example example_f.o example_c.o
./example

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面试题：Fortran与并行计算及互操作性

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面试题答案

使用MPI进行并行化

使用OpenMP进行并行化

Fortran与C语言互操作关键要点及实现方式

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