Fortran, czyli najstarszy język programowania – czym dokładnie jest?

Mimo istnienia wielu nowoczesnych technologii programistycznych Fortran wciąż jest niezastąpiony w wielu specjalistycznych zastosowaniach naukowych i technicznych. Jego unikalne cechy, a szczególnie wysoka wydajność w obliczeniach numerycznych i łatwość w obsłudze dużych, skomplikowanych systemów obliczeniowych, zapewniają mu trwałe miejsce w narzędziowni profesjonalistów na całym świecie. Czym dokładnie jest Fortran?

Czym jest Fortran?

Fortran, znany pierwotnie jako FORTRAN (do wersji 77 włącznie), a obecnie jako Fortran (od wersji 90), jest językiem programowania, który zyskał uznanie w środowisku naukowym i inżynieryjnym jako narzędzie przeznaczone głównie do zapisu programów obliczeniowych. Jego nazwa, pochodząca od "formula translation", odzwierciedla główny cel jego powstania, którym było ułatwienie tłumaczenia formuł matematycznych na kod maszynowy.

W swojej pierwotnej formie, Fortran był językiem proceduralnym, skoncentrowanym na przetwarzaniu numerycznym i obliczeniowym. Z biegiem czasu, dzięki rozwojowi i wprowadzeniu nowych standardów, takich jak Fortran 90/95, 2003, a także Fortran 2008 i późniejsze, język ten przeszedł znaczące zmiany. Rozszerzono go o możliwości programowania obiektowego, co umożliwia lepsze zarządzanie strukturami danych i funkcjonalnościami poprzez klasy i obiekty. Dodatkowo, wprowadzenie programowania modularnego pozwoliło na lepszą organizację i wielokrotne wykorzystanie kodu, podnosząc efektywność tworzenia i utrzymania dużych projektów programistycznych.

Ważnym kamieniem milowym w rozwoju Fortranu było wprowadzenie możliwości programowania równoległego w standardzie Fortran 2008, co znacznie poprawiło wydajność aplikacji przez lepsze wykorzystanie nowoczesnego sprzętu komputerowego, takiego jak wielordzeniowe procesory i klasterowe systemy obliczeniowe.

Czym cechuje się język programowania Fortran?

Fortran wyróżnia się na tle innych języków programowania kilkoma kluczowymi cechami, które przyczyniły się do jego długotrwałej popularności, zwłaszcza w środowiskach naukowych i inżynierskich.

Jednym z najbardziej charakterystycznych elementów Fortranu jest zasada braku rozróżniania między małymi a wielkimi literami w słowach kluczowych oraz nazwach zmiennych. To podejście pochodzi jeszcze z pierwszych wersji języka i ułatwia pisanie oraz czytanie kodu, eliminując błędy wynikające z niewłaściwego użycia wielkości liter.

Bogate możliwości definiowania formatów danych wyjściowych

Kolejnym istotnym elementem, który od samego początku wyróżniał Fortran, są bogate możliwości definiowania formatów danych wyjściowych. Fortran pozwala na precyzyjne określanie, jak dane mają być formatowane przy zapisie do plików lub wyświetlane na ekranie, co jest szczególnie przydatne w aplikacjach naukowych i inżynierskich, gdzie prezentacja wyników w czytelnej formie jest kluczowa.

Możliwości zastosowań naukowych i obliczeń numerycznych

Fortran jest również znany z dostępu do szerokiego zakresu bibliotek, które umożliwiają efektywne rozwiązywanie złożonych problemów numerycznych. Dzięki tym bibliotekom, programiści mogą skupić się na formułowaniu problemów naukowych bez konieczności pisania skomplikowanego kodu od podstaw.

Fortran i jego wysoka wydajność

Wysoka wydajność i szybkość obliczeń są kolejnymi cechami, które wyróżniają Fortran. Kompilatory Fortranu są optymalizowane pod kątem szybkiego wykonywania operacji numerycznych, co jest kluczowe w dziedzinach, które wymagają intensywnych obliczeń, jak modelowanie numeryczne, symulacje fizyczne czy obliczenia inżynierskie. Fortran zapewnia znakomitą skalowalność i przenośność kodu między różnymi platformami sprzętowymi i systemami operacyjnymi, co ułatwia współpracę międzynarodową i wieloplatformowe projekty badawcze.

W przeszłości, jednym z ograniczeń Fortranu była słaba obsługa wizualizacji danych i interakcji z niskopoziomowymi funkcjami systemowymi, co było zaniedbane w standardach aż do Fortranu 95. Jednak w ostatnich latach niezależni producenci kompilatorów znacząco rozszerzyli możliwości języka w tych obszarach, dostarczając biblioteki wspierające grafikę i wizualizację danych, co pozwala na bardziej zaawansowane analizy i prezentacje wyników.

Historia Fortranu

Historia Fortranu rozpoczyna się w latach pięćdziesiątych XX wieku, kiedy to zespół prowadzony przez Johna Backusa w firmie IBM zajął się opracowaniem pierwszego kompilatora dla języka Fortran. Prace te trwały od 1954 do 1957 roku i zaowocowały stworzeniem pierwszego w historii kompilatora języka wysokiego poziomu. Był to przełomowy moment, ponieważ obawy związane z wydajnością skompilowanego kodu były znaczne – istniało przekonanie, że bez porównywalnej szybkości z programami napisanymi w języku asembler, nowy język nie zdobędzie popularności. Dzięki starannej optymalizacji kompilatora, Fortran szybko zyskał uznanie dzięki efektywności działania równającej się do bezpośrednio pisanych w asemblerze.

Pierwsza standaryzacja Fortranu miała miejsce w 1960 roku i przyniosła ze sobą standard Fortran IV. Kolejny ważny krok w ewolucji języka to wprowadzenie standardu Fortran 66, który mimo swojej prostoty, wymagał od implementacji wprowadzenia licznych rozszerzeń, aby sprostać rosnącym wymaganiom programistów. W odpowiedzi na te potrzeby, American National Standard Institute (ANSI) opracowała Fortran 77, który został standardem międzynarodowym w 1980 roku. Ta wersja uwzględniała już elementy programowania strukturalnego, choć wciąż była przystosowana do używania kart perforowanych, co było charakterystyczne dla tamtego okresu.

W Polsce popularność zdobyły lokalne odmiany Fortranu, takie jak Fortran na maszyny ICL/Odra oraz różne wersje na komputery osobiste, w tym Watfor 77, Lahey 77, MS Fortran, a także Fortran 80 dla 8-bitowych komputerów z systemem CP/M-80. Wiele z tych implementacji zawierało rozszerzenia, które z czasem zostały zaadoptowane w oficjalnych standardach.

Kolejnym ważnym krokiem było wprowadzenie Fortranu 90, który przyniósł całkowicie zmienioną składnię, bardziej zbliżoną do współczesnych języków programowania. Usunięto wymóg stosowania etykiet i instrukcji skoku, co ułatwiło pisanie bardziej zrozumiałego kodu. Fortran 95 wprowadził tylko niewielkie zmiany w stosunku do poprzednika, kładąc nacisk na stabilizację i poprawę istniejących funkcji.

Czy Fortran jest nadal wykorzystywany?

Fortran nadal zajmuje ważne miejsce w świecie informatyki, zwłaszcza w aplikacjach naukowych i inżynierskich, ponieważ ułatwia obliczenia naukowe i przetwarzanie danych na dużą skalę. Jego trwałość i popularność w pewnych kręgach naukowych można przypisać kilku istotnym czynnikom.

Specjalizacja w obliczeniach numerycznych

Fortran został zaprojektowany z myślą o efektywnym wykonywaniu operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych i macierzach. Jego algorytmy do zarządzania pamięcią i składnia są optymalizowane pod kątem szybkich obliczeń matematycznych, co jest niezwykle ważne w dziedzinach takich jak astrofizyka czy chemia obliczeniowa.

Istnieje wiele kompilatorów Fortranu, które są kompatybilne z najnowszymi wersjami systemu Windows, a szczególnie Windows 11 czy Windows 10. Użytkownicy mają do wyboru różne opcje, w tym zarówno komercyjne, jak i otwartoźródłowe rozwiązania.

Skalowalność i wydajność

Język oferuje doskonałe możliwości w zakresie przetwarzania równoległego i obsługi dużych zbiorów danych, co jest kluczowe przy modelowaniu numerycznym i symulacjach, na przykład w przewidywaniu pogody. Fortran pozwala na efektywne rozłożenie obciążenia obliczeniowego na wielu procesorach i maszynach, co przyspiesza przetwarzanie danych i uzyskiwanie wyników. Dzięki wysokiej wydajności coraz więcej specjalistów z powodzeniem wykorzystuje Fortran.

Stabilność i dojrzałość

Fortran istnieje na rynku od wielu dekad, co zaowocowało rozwojem stabilnych i dojrzałych narzędzi, które są niezawodne w użyciu. Wielu naukowców i inżynierów ceni Fortran za sprawdzoną stabilność, zwłaszcza w kontekście długoterminowych projektów badawczych.

Łatwość aktualizacji dużych kodów

Kod napisany w Fortranie jest często łatwiejszy do utrzymania i aktualizacji niż w przypadku nowszych języków programowania, które mogą być bardziej złożone lub zmienne. Dzięki temu, programy, które były rozwijane przez dziesięciolecia, mogą być nadal efektywnie używane i ulepszane bez konieczności przepisywania ich od nowa.

Obszerna biblioteka i wsparcie społeczności

Fortran dysponuje bogatym zestawem bibliotek naukowych i technicznych, które są ciągle rozwijane i ulepszane. Społeczność użytkowników Fortranu, choć być może nie jest tak liczna jak w przypadku nowszych języków, jest bardzo zaangażowana i dysponuje głęboką wiedzą specjalistyczną.