Python调用Fortran的三种形式
作者：大作家佚名
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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