Python调用Fortran的三种形式

2023-05-15 17:05:56 调用 形式 三种

1. 简介

在一些研究领域很多经典算法和工具都由上古语言Fortran编写，而这部分代码又没有对应的C/C++和Python版本。因此，掌握Python语言调用Fortran程序这一技能，在一些研究领域有助于我们站在巨人的肩上看的更远。Python调用Fortran可以总结为如下三种：
1）通过 F2PY：F2PY 是 NumPy 团队开发的一个工具，可以把 Fortran 程序转换为 Python 模块，从而在 Python 中调用 Fortran 程序。
2）通过 ctypes 库：ctypes 是 Python 内置的一个库，可以用来调用外部 C 动态链接库，因此也可以用于调用 Fortran 程序。通过 ctypes 可以让 Python 调用 Fortran 程序，也可以从 Fortran 中调用 Python 函数。
3）利用Python的os包调用Fortran。

2. Python调用Fortran的三种方法

2.1 基于 F2PY的f2py调用Fortran

步骤1：

计算圆面积的Fortran函数。接下来将用下面的函数进行演示。这里的例子是返回一个参数的，返回多个参数以及修改参数的Fortran用法。
Fortran77定义变量时候不用加::

function area_of_circle (r)  
! function result     
implicit none      
   ! dummy arguments        
   real :: area_of_circle   
   ! local variables 
   real :: r     
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)     
   area_of_circle = pi * r**2  
end function area_of_circle

或

function area_of_circle (r) result(a)
implicit none
   real :: a
   real :: r
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)
   a = pi * r**2
end

或

subroutine area_of_circle (r,a)
implicit none
   real, intent(out) :: a
   real, intent(in) :: r
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)
   a = pi * r**2
end

步骤2：

新建circle.f90后，在终端中运行如下代码：

python -m numpy.f2py -c circle.f90 -m circle

具体步骤如下图，然后可以看到生成的circle.cpython-36m-x86_64-linux-gnu.so

步骤3：

在Python中，可以直接import上面的函数名

import circle
print(circle.__doc__)
print(circle.area_of_circle(2))

注意上面的__doc __是f2py自动生成的，可以看到fortran模块里面包含几个函数，每个函数里面还可以再调用doc看到接口参数类型。

2.2 使用动态链接库调用Fortran

步骤1：

修改上面的Fortran代码，用result返回函数结果，指定输入和返回数据类型。

function area_of_circle(r) result(area) bind(c, name='area_of_circle')
    use iso_c_binding
    implicit none
    real(c_double) :: area
    real(c_double), intent(in) :: r
    real :: pi
    pi = 4 * atan (1.0)
    area = pi * r**2
end function area_of_circle

步骤2：

如2.1节 所示，在系统终端或者PyCharm终端中输入命令：

 gfortran -shared circle2.f90 -o circle2.so

步骤3：

编写Python调用脚本

import ctypes as ct

# import the shared library
fortlib = ct.CDLL('./circle2.so')

# Specify arguments and result types
fortlib.area_of_circle.argtypes = [ct.POINTER(ct.c_double)]
fortlib.area_of_circle.restype = ct.c_double

# Create a double and pass it to Fotran (by reference)
a = ct.c_double(2)
b = fortlib.area_of_circle(ct.byref(a))
print(b)

2.3 利用Python的os包调用Fortran

步骤1：

以2.1节中的Fortran代码为例，稍作修改，这种方式需要Fortran代码是完整的程序可编译为可执行程序。下面代码包含了主函数，即调用函数的函数主体。

program calling_func
   real :: a
   a = area_of_circle(2.0)
   Print *, "The area of a circle with radius 2.0 is"
   Print *, a
end program calling_func

function area_of_circle(r)
! function result
implicit none
   ! dummy arguments
   real :: area_of_circle
   ! local variables
   real :: r
   real :: pi
   pi = 4 * atan (1.0)
   area_of_circle = pi * r**2
end function area_of_circle

步骤2：

编译和调用，windows系统注意修改路径，以及可执行程序名后缀应该是exe，Linux可执行程序后缀可以是out或者没有。

import os
#编译
os.system(r"gfortran  ./circle3.f90 -o circle")
#调用编译的circle程序
os.system('./circle')

上述代码就是类似于Windows中调用cmd。

3. 总结

方法1：比较推荐，针对Python编程，如果返回数据类型复杂，也不是太方便；
方法2：过于繁琐不推荐；
方法3：是一种需要首先编译出可执行程序然后调用，交互性不方便。如果将输入输出写为固定文件，然后由Python生产输入文件，由Python读取输出文件，也是一种比较好的选择。

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