포트란

3. 표준화 기구

미국 국립 표준 협회(ANSI)의 J3 위원회와 국제 표준화 기구(ISO)의 ISO/IEC JTC1/SC22/WG5(WG5)가 포트란 표준화를 담당한다. J3는 WG5의 지시 하에 활동하며, WG5를 구성하는 가장 큰 부분이다.

4. 역사

1953년 존 배커스가 IBM 704^[1] 메인프레임 머신용 프로그래밍 언어로 어셈블리어의 대안을 제시하면서 포트란의 역사가 시작되었다. 1956년 첫 포트란 매뉴얼이 발표되었고,^[2] 1957년에는 첫 포트란 컴파일러가 등장하여 프로그래머들이 직접 어셈블리어를 작성해야 하는 수고를 덜게 되었다.^[3]

4. 1. 초창기 (FORTRAN, FORTRAN II, FORTRAN III, FORTRAN IV)

• `DIMENSION` 및 `EQUIVALENCE` 문
• 할당문
• 세 가지 방식의 산술 `IF` 문: 산술식의 결과가 음수, 0, 양수인지에 따라 프로그램의 세 위치 중 하나로 제어를 전달.
• 예외 확인 제어문: (`IF ACCUMULATOR OVERFLOW`, `IF QUOTIENT OVERFLOW`, `IF DIVIDE CHECK`)
• 감지 스위치 및 감지 표시등 조작 제어문: (`IF (SENSE SWITCH)`, `IF (SENSE LIGHT)`, `SENSE LIGHT`)
• `GO TO`, 계산된 `GO TO`, `ASSIGN`, 할당된 `GO TO`
• `DO` 루프
• 서식 지정 I/O: `FORMAT`, `READ`, `READ INPUT TAPE`, `WRITE OUTPUT TAPE`, `PRINT`, `PUNCH`
• 서식 없는 I/O: `READ TAPE`, `READ DRUM`, `WRITE TAPE`, `WRITE DRUM`
• 기타 I/O: `END FILE`, `REWIND`, `BACKSPACE`
• `PAUSE`, `STOP`, `CONTINUE`
• `FREQUENCY` 문 (컴파일러에 최적화 힌트 제공)

• `SUBROUTINE`, `FUNCTION`, `END`
• `CALL`, `RETURN`
• `COMMON`

4. 2. FORTRAN 66

• 주 프로그램, SUBROUTINE, FUNCTION, BLOCK DATA 프로그램 유닛
• INTEGER, REAL, DOUBLE PRECISION, COMPLEX, LOGICAL 데이터 형
• COMMON, DIMENSION, EQUIVALENCE 문
• 초기값 할당을 위한 DATA 문
• Intrinsic(내장), EXTERNAL(외부) 함수
• Assignment 문
• GOTO, assigned GOTO, computed GOTO 문
• Logical(논리) IF 문, Arithmatic(산술) IF 문
• DO 루프 반복구조
• 순차 I/O를 위한 READ, WRITE, BACKSPACE, REWIND, ENDFILE 문
• FORMAT 문
• CALL, RETURN, PAUSE, STOP 문
• DATA 문과 FORMAT 문과 프로시저의 실인수에 대한 Hollerith 상수
• 식별자의 길이를 6까지 지원
• 주석문

4. 3. FORTRAN 77

• 구조적 프로그래밍 지원 강화: block IF, END IF 문, ELSE, ELSE IF 절 추가
• DO 루프 확장: 매개변수 확장, 음수 방향 증가, 0까지 이동 등
• I/O 개선: OPEN, CLOSE, INQUIRE 문 도입, 직접 접근 파일 I/O 지원
• 새로운 데이터 타입 및 구문: CHARACTER 형 데이터 타입, PARAMETER 문 (상수 정의), SAVE 문 (지역 변수 영구 보존) 추가
• 내장 함수: 일반명(generic) 접근, ASCII 문자 집합 기반 내장 함수 (LGE, LGT, LLE, LLT)

미국 국방부는 1978년에 MIL-STD-1753 표준을 발표하여 FORTRAN 77의 실용적 확장을 제공했다.^[36] 이 표준은 ANSI FORTRAN 77 표준에는 포함되지 않았지만, 많은 FORTRAN 77 컴파일러에서 구현된 기능을 표준화했다. 주요 내용은 다음과 같다.

• DO WHILE, END DO 문
• INCLUDE 문
• IMPLICIT NONE 문 (IMPLICIT 문의 변형)
• 비트필드 연산 내장 함수

4. 4. Fortran 90

• 공식 표기가 FORTRAN에서 Fortran으로 변경되었다.
• 자유 형식 도입 및 포트란 키워드에 소문자 허용.
• 식별자 길이를 31문자까지 허용.
• 인라인 주석문 추가.
• 배열 이름을 이용한 배열 전체 요소에 대한 연산 기능.
• `RECURSIVE` 키워드를 이용한 재귀 호출 프로시저.
• `MODULE`을 이용한 모듈화 프로그래밍.
• `INTERFACE` 문을 이용한 명시적 프로시저 선언.
• 연산자 오버로딩.
• 사용자 제너릭 프로시저.
• Derived type - 유도 타입 (다른 언어의 구조체(structure)).
• 속성을 부여한 타입 선언.
• 동적 메모리 할당.
• 포인터 속성을 이용한 자료구조와 동적 접근 알고리즘 지원.
• `EXIT`, `CYCLE` 문, `NAMED` 구조.
• `SELECT CASE` 문.
• 사용자 지정 정밀도 선언.
• `RANDOM_NUMBER`, `DATE_AND_TIME` 등 다양한 목적의 내장 프로시저 추가.
• 표준 문서에 Obsolescent(비권장 문법, 이후 삭제 예정)와 Deleted(삭제) 분류 문법 등장.

4. 5. Fortran 95

• 벡터화를 위한 FORALL^영어 문^[118]과 중첩 WHERE^영어 구조
• 사용자 정의 PURE^영어 및 ELEMENTAL^영어 프로시저
• 포인터 초기화를 포함한 유도체 구성 요소의 초기화
• 데이터 객체에 대한 초기화 문 기능 확장
• 명시적 DEALLOCATION^영어 없이 프로시저 종료 시 동적 할당 메모리 해제

Fortran^영어 95의 중요한 보충 자료는 ISO 기술 보고서 TR-15581: 향상된 데이터 유형 기능(일명 ''할당 가능 TR'')이다. 이 사양은 ALLOCATABLE^영어 배열의 향상된 사용을 정의했다. ALLOCATABLE^영어 배열은 메모리 누수 가능성을 제거하고, 컴파일러가 포인터보다 더 빠른 코드를 생성할 수 있도록 돕는다.^[39]

또 다른 중요한 보충 자료는 ISO 기술 보고서 TR-15580: 부동 소수점 예외 처리(일명 ''IEEE TR'')이다. 이 사양은 IEEE 부동 소수점 산술 및 부동 소수점 예외 처리에 대한 지원을 정의했다.

4. 6. Fortran 2003

• 상속과 다형성 객체 지원
• type-bound 프로시저 지원
• 추상 데이터형 지원

• IEEE 부동소수점 표준 내장 모듈
• 비동기 전송, 스트림 타입 I/O 도입에 따른 I/O 개선
• 명령행 인자에 대한 지원, 시스템 환경 변수 지원 등 사용자 환경에 대한 구성 추가
• 프로시저 포인터
• 데이터 조작성 강화
• C 언어와의 상호 호환성 BINDING
• 할당 특성에 대한 강화
• 기타 기능 강화

4. 7. Fortran 2008

• Do concurrent를 이용한 병렬 처리 지원 강화^[123][124]
• Cray 포트란의 기능이었던 Coarray의 표준화^[125]
• Submodule을 이용한 OOP 지원 강화
• 기타 기능 개선

5. 언어 특징

포트란 95가 도입한 포트란 언어 기능에 대한 자세한 설명은 포트란 95 언어 기능 문서에 있다. 이후 표준에서 정의된 언어 버전은 종종 '현대 포트란'으로 통칭된다.

5. 1. Fortran 90/95의 특징

• 자유 형식 소스 입력: 프로그램 본문을 7번째 열부터 작성할 필요가 없고, 80열 제한도 없다. 소문자 Fortran 키워드도 허용된다.
• 긴 식별자: 최대 31자까지의 식별자를 사용할 수 있다.
• 인라인 주석: `!` 기호를 사용하여 코드 내에 주석을 추가할 수 있다.
• 배열 연산: 배열 전체 또는 부분 배열에 대한 연산을 지원하여 수학 및 엔지니어링 계산을 간결하게 표현할 수 있다.
• `x(1:n)=r(1:n)*cos(a(1:n))`와 같이 배열의 특정 범위에 대한 연산을 지정할 수 있다.
• `where` 문을 사용하여 조건에 따라 배열의 값을 선택적으로 할당할 수 있다.
• 모듈: 관련된 서브루틴과 데이터를 그룹화하고, 다른 프로그램에서 사용할 수 있도록 하는 모듈 개념이 도입되었다.
• 인터페이스: `interface` 문을 사용하여 컴파일 시점에 인수의 형(type) 일치와 데이터 입출력 방향을 검사할 수 있다.
• 사용자 정의 제네릭 프로시저: 동일한 함수 이름으로 인수의 수와 유형에 따라 다른 내부 함수를 호출하는 제네릭 프로시저를 정의할 수 있다.
• 연산자 오버로딩: `+`, `-` 등의 연산자를 다중 정의할 수 있다.
• 파생형 데이터 타입: 사용자가 새로운 데이터 타입을 정의할 수 있다.
• 동적 메모리 할당: `allocatable` 속성과 `allocate`, `deallocate` 문을 사용하여 동적으로 메모리를 할당하고 해제할 수 있다.
• 포인터: 포인터를 사용하여 동적 데이터 구조를 다룰 수 있다.
• 제어 구조 개선:
• `do` 문의 종료를 `end do`로 명시할 수 있다.
• `do while` 문이 추가되었다.
• `exit` 문으로 `do` 문을 종료하거나, `cycle` 문으로 다음 반복으로 건너뛸 수 있다.
• `select case` 문이 추가되었다.
• 수치 정밀도 제어: 사용자가 수치 정밀도를 제어할 수 있는 이식성 좋은 지정 방법이 제공된다.
• 새로운 내장 함수: 다양한 목적의 내장 함수가 추가되었다.

• FORALL 문: 벡터화를 위한 `FORALL` 문이 추가되었다.^[118]
• PURE 및 ELEMENTAL 프로시저: 사용자 정의 프로시저를 `PURE` 또는 `ELEMENTAL`로 지정할 수 있다.
• 포인터 초기화: 유도체 구성 요소의 초기화 기능이 확장되었다.
• 자동 메모리 해제: 프로시저 종료 시 명시적인 `DEALLOCATION` 없이 동적 할당 메모리가 자동으로 해제된다.

5. 2. FORTRAN 77의 특징

• 수식 계산의 간편한 기술: 수학 수식과 거의 동일하게 계산식을 표현할 수 있다. 이는 현대 프로그래밍 언어에서 표준 수식 표현의 시초로 평가받는다.
• 입출력의 용이함:
• `FORMAT` 문을 사용하여 출력 형식을 간단하게 정의할 수 있다.
• 실제 출력 장치를 고려하지 않아도 되는 입출력 문을 제공한다. 이는 C 언어의 표준 입출력과 유사한 개념이다.
• 정적 데이터 할당: `COMMON`, `BLOCK DATA`, `SAVE` 문 등을 사용하여 데이터를 정적으로 할당한다.
• 고정 형식: 프로그램 코드는 열 위치에 따라 작성되며, 일부 구현에서는 확장되었다.

• 구조적 프로그래밍 지원: `IF` 블록 및 `END IF` 문, `ELSE IF` 및 `ELSE` 절을 추가.
• `DO` 루프 확장: 매개변수 표현식, 음수 증가, 0회 반복 허용.
• 입출력 개선: `OPEN`, `CLOSE`, `INQUIRE` 문 도입, 직접 접근 파일 I/O 지원.
• `IMPLICIT` 문: 변수 이름에 따라 형식을 지정하는 규칙 재정의.
• `CHARACTER` 형: 문자 기반 데이터 처리 기능 대폭 확장.
• `PARAMETER` 문: 상수 지정.
• `SAVE` 문: 지역 변수를 영구적으로 지정.
• 내장 함수의 총칭 함수: 예) `SQRT` 함수는 `COMPLEX`, `REAL*16` 등 다양한 형식의 인수를 허용.
• ASCII 코드 기반 문자열 비교 내장 함수: `LGE`, `LGT`, `LLE`, `LLT`.

• 홀레리스 상수 및 홀레리스 데이터 표현.
• `FORMAT` 문에서 H 편집 디스크립터로 읽기.
• 배열 경계 초과 접근.
• `DO` 루프 범위를 벗어났다가 다시 제어 전송.
• 이전 규격에서는 문자형(`CHARACTER`형)이 없었기 때문에, 문자 데이터나 문자열 데이터를 정수나 실수 변수나 배열에 저장하는 것이 행해졌지만, Fortran77에서는 그것을 폐지했다.

6. 주요 응용 분야

포트란은 수치 예보, 기후 모델, 구조 역학에서의 유한 요소법, 전산 유체 역학, 전산 물리학, 전산 화학, 계량 경제학, 동물과 식물의 품종 개량 등 대규모 계산을 수행하는 과학 기술 분야에서 주로 사용된다.^[77] 특히 슈퍼컴퓨터 프로그래밍에 널리 사용된다.^[77]

1956년에 최초의 매뉴얼이 출시되었고, 1957년에 IBM 704용 최초의 컴파일러가 출시되었다.

포트란은 슈퍼컴퓨터와 같은 일부 가장 집중적인 작업, 예를 들어 천문학, 기후 모델링, 계산 화학, 계산 경제학, 전산 유체 역학, 전산 물리학, 데이터 분석,^[61] 수문 모델링, 수치 선형 대수 및 수치 라이브러리(LAPACK, IMSL 및 NAG), 최적화, 위성 시뮬레이션, 구조 공학, 그리고 일기 예보의 주요 언어이다.^[62]

새로운 컴퓨터 프로세서의 성능을 측정하는 많은 부동 소수점 벤치마크는 포트란으로 작성되었다.

7. 예제

다음은 포트란 90에서 도입된 동적 메모리 할당과 배열 기반 연산을 보여주는 프로그램 예제이다. 특히 배열을 조작하는 데 `DO` 루프와 `IF`/`THEN` 문이 없다는 점이 주목할 만하다. 수학적 연산은 배열 전체에 적용된다. 또한, 설명적인 변수 이름과 현대 프로그래밍 스타일에 맞는 일반적인 코드 형식을 사용하는 것도 볼 수 있다. 이 예제는 대화식으로 입력된 데이터의 평균을 계산한다.^[1]

```fortran

program average

! 몇 개의 숫자를 읽어 평균을 구합니다.

! 작성된 대로, 데이터 포인트가 없으면 평균 0이 반환됩니다.

! 이것이 원하는 동작이 아닐 수 있지만, 이 예제를 간단하게 유지합니다.

implicit none

real, allocatable :: points(:)

integer :: number_of_points

real :: average_points, positive_average, negative_average

average_points = 0.

positive_average = 0.

negative_average = 0.

write (*,*) "평균을 낼 점의 개수를 입력하십시오:"

read (*,*) number_of_points

allocate (points(number_of_points))

write (*,*) "평균을 낼 점들을 입력하십시오:"

read (*,*) points

! 점들을 합하고 number_of_points로 나누어 평균을 구합니다.

if (number_of_points > 0) average_points = sum(points) / number_of_points

! 이제 양수 및 음수 점에 대해서만 평균을 구합니다.

if (count(points > 0.) > 0) positive_average = sum(points, points > 0.) / count(points > 0.)

if (count(points < 0.) > 0) negative_average = sum(points, points < 0.) / count(points < 0.)

! 터미널 stdout 장치 6에 결과 출력

write (*,'(a,g12.4)') '평균 = ', average_points

write (*,'(a,g12.4)') '양수 점의 평균 = ', positive_average

write (*,'(a,g12.4)') '음수 점의 평균 = ', negative_average

deallocate (points) ! 메모리 해제

end program average

```

```fortran

program helloworld

print *, "Hello, world."

end program helloworld

7. 1. FORTRAN II

7. 2. 포트란 90

8. 관련 언어

F<sup>영어</sup>는 포트란 95의 부분 집합으로 설계된 프로그래밍 언어이다. 특히 교육 및 과학 컴퓨팅에 적합하도록 불필요하거나 사용되지 않는 기능들을 제거하였다.<sup>[70]</sup>

OpenMP와 OpenACC는 병렬 프로그래밍을 위한 확장으로, 컴파일러 지시문을 통해 스레드 병렬화를 지원한다.

CUDA Fortran은 NVIDIA GPU 프로그래밍을 위한 확장으로, 포트란 언어 사양을 기반으로 독자적으로 확장되었다.<sup>[107]</sup>

9. 기타

FORTRAN 표준 위원회 회의에서 "O 문자 해로운 것으로 간주됨"이라는 제목의 풍자적인 기술 제안이 공식 배포본에 포함되었다. 이 제안은 "O" 문자와 숫자 0 사이에서 때때로 발생하는 혼란을 해결하기 위해 변수 이름에 문자를 사용하는 것을 금지하려 했다. 그러나 제안된 방법은 문자 집합에서 문자를 완전히 제거하는 것이었다. 이는 악명 높은 `GO TO` 문을 이전처럼 사용할 수 없게 함으로써 구조적 프로그래밍을 장려한다는 점에서 유익하다고 간주되었다. "일부 기존 프로그램의 유효성을 무효화할 수 있지만" 대부분 "어쨌든 표준을 따르지 않았을 것"이라고 언급되었다.<sup>[73]</sup>

X3J3에서 Fortran 77에서 DO 루프의 최소 반복 횟수가 0 또는 1이어야 하는지에 대해 논의할 때, 로렌 메이스너는 최소 반복 횟수를 2로 제안했는데, 이는 "두 횟수 미만이면 루프를 사용할 이유가 없기 때문"이었다.

가변 길이 배열이 추가될 때, 상한과 하한을 구분하는 적절한 문자에 대한 논쟁이 있었다. 이러한 논쟁을 검토하는 논평에서 월트 브레이너드는 "천문학 대 소화기내과"라는 제목의 기사를 썼는데, 이는 일부 지지자들이 별표("*")를 사용할 것을 제안한 반면, 다른 사람들은 콜론(":")을 선호했기 때문이었다.

문자 I–N으로 시작하는 변수 이름은 정수형을 기본으로 하고, 다른 문자로 시작하는 변수는 실수형을 기본으로 하지만, 프로그래머는 명시적 선언으로 기본값을 무시할 수 있었다.<sup>[75]</sup> 이는 "FORTRAN에서, GOD는 REAL(INTEGER로 선언되지 않는 한)."이라는 농담으로 이어졌다.

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