Những yếu tố cơ bản của Fortran

Tên biến và tên hằng

Tên biến trong Fortran chuẩn được biểu diễn bằng tập hợp từ 1 đến 6 các chữ cái trong bảng chữ cái la tinh (26 chữ cái) hoặc các chữ số 0, 1, ..., 9, nhưng phải bắt đầu bằng chữ cái.

Trong một chương trình các tên biến không được trùng nhau. Trong các phiên bản Fortran hiện nay, để dùng làm tên không phân biệt chữ cái hoa và chữ cái thường. Ngoài ra, còn một vài ký tự khác cũng có thể dùng để cấu tạo tên. Phiên bản Fortran 90 cho phép đặt tên với số ký tự dài hơn 6 và trong tên có thể có một số ký tự khác nữa. Tuy nhiên, sinh viên nên tập thói quen đặt tên gọn gàng theo Fortran chuẩn, bởi vì tập hợp 6 ký tự đã rất đủ để chúng ta mô tả các bài toán, kể cả những bài toán lớn và phức tạp.

Thí dụ, các tên sau đây

X ; A ; X1 ; B2T5 ; SOHANG ; SUM là hợp lệ, còn các tên sau đây là sai:

1NGAY ; HE SO ; B*T

vì trong tên thứ nhất ký tự đầu tiên là chữ số, trong tên thứ hai có ký tự dấu cách, trong tên thứ ba có ký tự (*) không phải là những ký tự dùng để đặt tên.

Quy tắc đặt tên biến trên đây cũng áp dụng đối với tên chương trình, tên hằng, tên các chương trình con và tên file. (Riêng với tên file có thể có thêm phần mở rộng gồm không quá ba chữ cái hoặc chữ số ngăn với phần tên chính bởi dấu chấm).

Mô tả (khai báo) kiểu biến và kiểu hằng

Kiểu của biến tương ứng với kiểu dữ liệu mà nó biểu diễn. Các biến nguyên biểu diễn các dữ liệu số nguyên, các biến thực - số thực... Trong chương trình phải chỉ rõ các biến được sử dụng biểu diễn dữ liệu kiểu nào (nguyên, thực, lôgic, phức, văn bản, số thực độ chính xác thường hay độ chính xác gấp đôi...).

Mỗi biến chỉ lưu giữ được những giá trị đúng kiểu của nó. Một biến đã mô tả kiểu là số nguyên thì không thể dùng để lưu giá trị số thực hay giá trị lôgic.

Cách mô tả ẩn chỉ dùng đối với các biến nguyên và thực: dùng tên biến nguyên bắt đầu bằng một trong sáu chữ cái I, J, K, L, M, N, còn tên biến thực bắt đầu bằng một trong những chữ cái ngoài sáu chữ cái trên. Nói chung, người mới học lập trình không bao giờ nên dùng cách mô tả ẩn.

Cách mô tả hiện dùng các lệnh mô tả hiện như INTEGER, REAL, CHARACTER, LOGICAL, DOUBLE PRECISION, COMPLEX... để chỉ kiểu dữ liệu mà các biến biểu diễn. Dưới đây là quy tắc viết những lệnh mô tả kiểu dữ liệu: tuần tự nguyên, thực, lôgic, phức, thực độ chính xác gấp đôi và ký tự văn bản:

INTEGER D anh sách các biến nguyên

REAL D anh sách các biến thực

LOGICAL D anh sách các biến lôgic

COMPLEX D anh sách các biến phức

DOUBLE PRECISION D anh sách các biến độ chính xác đôi

CHARACTER D anh sách các biến ký tự

Trong danh sách các biến sẽ liệt kê các tên biến, nếu có hơn một biến thì các biến phải cách nhau bởi dấu phảy.

Thí dụ:

INTEGER I, TT, DEM

REAL X1, APSUAT, MAX, TIME, DELTA

COMPLEX P1, P2, SOPH

chỉ rằng các biến I, TT, DEM biểu diễn các giá trị số nguyên, các biến X1, APSUAT, MAX, TIME, DELTA biểu diễn các giá trị số thực, còn ba biến P1, P2, SOPH - số phức.

Những giá trị được giữ nguyên nhất quán trong suốt chương trình (tức các hằng số) thường được gán vào các địa chỉ nhớ thông qua tên trong lệnh khai báo hằng có dạng:

PARAMETER (ten1 = biểu thức 1, tên 2 = biểu thức 2, ...)

Thí dụ, trong chương trình nếu ta nhiều lần dùng đến giá trị số π=3,141593 size 12{π=3,"141593"} {} thì ta có thể gán giá trị 3,141593 cho một tên hằng là PI bằng lệnh

PARAMETER (PI = 3.141593)

Lệnh sau đây

PARAMETER (HSMSD = 0.0026, RO = 1.0028)

khai báo hai hằng số: HSMSD và RO, HSMSD được gán giá trị bằng 0,0026, còn RO được gán giá trị 1,0028.

Trong chương trình tất cả những lệnh khai báo (mô tả) vừa giới thiệu trên đây thuộc loại các lệnh không thực hiện và chúng phải nằm ở đầu chương trình, trước tất cả các lệnh thực hiện.

Khái niệm về tên, kiểu dữ liệu của biến, của hằng là những khái niệm cơ bản, quan trọng trong ngôn ngữ lập trình.

Ở đầu mục này đã nói một tên thực chất là ký hiệu quy ước của một địa chỉ trong bộ nhớ của máy tính để lưu giá trị. Lệnh khai báo biến mới chỉ đặt tên cho một địa chỉ trong bộ nhớ và quy định trong địa chỉ đó có thể lưu giữ dữ liệu kiểu gì. Còn cụ thể trong ô nhớ đó đã có chứa giá trị chưa hay chứa giá trị bằng bao nhiêu thì tùy thuộc vào các lệnh thực hiện ở trong chương trình, tại từng đoạn của chương trình. Điều này giống như ta quy ước định ra một ngăn trong tủ văn phòng để chuyên giữ các công văn, còn trong ngăn ấy có công văn hay không, hoặc có mấy công văn thì tùy thuộc lúc này hay lúc khác. Dưới đây nêu một thí dụ để minh họa ý nghĩa của việc đặt tên biến và mô tả kiểu (dữ liệu) của biến, đồng thời theo dõi giá trị của biến tại từng thời điểm của chương trình. Giả sử ta viết một chương trình để tính diện tích s size 12{s} {} của hình tam giác khi giá trị độ dài đáy b size 12{b} {} bằng 5,0 cm, chiều cao h size 12{h} {} bằng 3,2 cm, in kết quả tính lên màn hình. Chương trình sau đây sẽ thực hiện những việc đó:

REAL DAY, CAO ! (1)

DAY = 5.0 ! (2)

CAO = 3.2 ! (3)

DAY = 0.5 * DAY * CAO ! (4)

PRINT *, ‘DIEN TICH TAM GIAC BANG’, DAY ! (5)

END ! (6)

Trong chương trình này có sáu lệnh. Lệnh (1) khai báo hai biến tên là DAY và CAO dự định để lưu giá trị số thực tương ứng của đáy b size 12{b} {} và chiều cao h size 12{h} {} của tam giác. Lệnh (2) gán giá trị b=5,0 size 12{b=5,0} {} (cm) cho biến DAY. Lệnh (3) gán giá trị h=3,2 size 12{h=3,2} {} (cm) cho biến CAO. Lệnh (4) tính giá trị của biểu thức 0,5×b×h size 12{0,5 times b times h} {}, tức diện tích s size 12{s} {} của tam giác, bằng 8 (cm²) và gán cho biến DAY. Lệnh (5) in lên màn hình dòng chữ DIEN TICH TAM GIAC BANG và sau đó là giá trị của biến DAY. Lệnh (6) là lệnh kết thúc chương trình. Sinh viên mới học lập trình thường có thể không hiểu lệnh thứ năm, khi thấy in diện tích hình tam giác mà lại in giá trị của biến DAY. Trong đầu họ quen nghĩ khai báo DAY có nghĩa DAY là độ dài cạnh đáy tam giác. Nhưng nếu hiểu được rằng lệnh (1) khai báo REAL DAY, CAO thực ra mới chỉ dự định dùng hai tên DAY và CAO để lưu các số thực, không cần biết số thực đó bằng bao nhiêu. Ở chương trình trên, khi lệnh (2) thực hiện xong thì trong biến DAY (trong ô nhớ có tên là DAY) mới thực sự có số 5,0, tức độ dài đáy tam giác. Nhưng khi chương trình chạy xong lệnh (4) thì trong biến DAY đã là số 8,0 chứ không phải là số 5,0 nữa. Và khi thực hiện xong lệnh (5) thì trên màn hình sẽ in đúng giá trị diện tích tam giác. Nắm vững được điều này có nghĩa là đã hiểu được ý nghĩa của biến, tên biến và tuần tự làm việc của chương trình, tức các giá trị được lưu trong máy tính như thế nào trong khi chương trình chạy.

Dưới đây là hai lời khuyên đầu tiên có lẽ quan trọng nhất đối với sinh viên mới học lập trình:

1) Sau khi tìm hiểu xong bài toán cần giải, phải cân nhắc từng đại lượng trong bài toán có kiểu dữ liệu là số nguyên, số thực, ký tự văn bản... để đặt tên và khai báo kiểu cho đúng. Kinh nghiệm cho thấy rằng sinh viên nào viết được những lệnh khai báo hệ thống các tên biến đúng, vừa đủ, sáng sủa trong phần khai báo ở đầu chương trình thì thường là sau đó viết được chương trình đúng. Còn những sinh viên không biết đặt tên cho các biến, vừa bắt tay vào soạn thảo chương trình đã loay hoay với lệnh mở file dữ liệu, tính cái này cái kia, thì thường là không hiểu gì và không bao giờ làm được bài tập.

2) Nên tuân thủ cách đặt tên của Fortran chuẩn. Ta có quyền chọn những chữ cái, chữ số nào để tạo thành tên là tùy ý, song nên đặt tên có tính gợi nhớ đến những đại lượng tương ứng trong bài tập. Thí dụ, với bài toán vừa nói tới trong mục này ta có ba đại lượng là: độ dài cạnh đáy, đường cao và diện tích tam giác. Nên khai báo tên ba biến tương ứng bằng ba từ tắt của tiếng Việt với lệnh sau:

REAL DAY, CAO, DTICH

hoặc bằng ba từ tắt của tiếng Anh với lệnh:

REAL BASE, HEIGHT, SQRE

hoặc bằng ba chữ cái đúng như trong đầu đề bài tập với lệnh:

REAL B, H, S

đều là những lời khai báo đúng, dễ hiểu, trong đó lời khai báo trên cùng có lẽ là tốt nhất, lời khai báo sau cùng thì hơi quá ngắn gọn. Còn với cùng mục đích khai báo mà dùng lệnh sau đây thì mặc dù không sai, nhưng hoàn toàn không nên, rất dễ gây nhầm lẫn, mệt mỏi trong khi kiểm tra chương trình:

REAL X, IC, DT

Khái niệm mảng

Mảng là tập hợp có sắp xếp của các đại lượng được ký hiệu bằng một tên duy nhất. Các thành phần của tập hợp gọi là những phần tử mảng. Mỗi phần tử được xác định theo tên của mảng và vị trí của phần tử đó trong mảng, tức trị số của các chỉ số. Tên mảng được đặt tuân theo quy tắc như tên biến. Các chỉ số nằm trong dấu ngoặc đơn và nếu có hơn một chỉ số thì các chỉ số phải cách nhau bởi dấu phảy.

Thí dụ: A(1), A(2), A(3) tương ứng với cách viết thông thường cho các biến a1,a2,a3 size 12{a rSub { size 8{1} } , a rSub { size 8{2} } , a rSub { size 8{3} } } {} trong toán học. Vậy ở đây ta đã đặt cho tập hợp cả 3 giá trị này một tên chung là A, nhưng để chỉ giá trị thứ nhất ta thêm chỉ số 1 vào tên - A(1), để chỉ giá trị thứ hai ta thêm chỉ số 2 - A(2) và để chỉ giá trị thứ ba ta thêm chỉ số 3 - A(3).

Tương tự, các phần tử của ma trận hai chiều trong đại số

được viết trong Fortran là A(1,1), A(1,2), A(1,3), A(2,1), A(2,2), A(2,3) (chỉ số thứ nhất - số hiệu dòng, chỉ số thứ hai - số hiệu cột).

Thêm một thí dụ nữa về mảng. Một năm có 12 tháng, mỗi tháng có một tên, thí dụ trong tiếng Việt: Tháng Giêng, Tháng Hai, ..., Tháng Mười hai, trong tiếng Anh: January, February, ..., December. Ta hoàn toàn có thể gộp 12 tên tiếng Anh của các tháng trong năm vào thành một mảng có tên chung là EMONTH. Vậy mảng EMONTH sẽ là mảng có 12 giá trị (12 phần tử), mỗi phần tử là một từ chỉ tên một tháng. Khi nói đến January tức là nói tới giá trị thứ nhất của mảng EMONTH, ta viết EMONTH(1), nói đến December là nói tới giá trị thứ 12 của mảng EMONTH, ta viết EMONTH(12).

Trong Fortran IV, một phiên bản trước đây của ngôn ngũ Fortran, cho phép dùng các mảng tối đa 7 chỉ số. Chiều của mảng ứng với số chỉ số,còn kích thước của mảng ứng với số phần tử chứa trong mảng.

Chỉ số của mảng có thể được xác định bằng các hằng hoặc biến nguyên dương với trị số lớn hơn 0. Cũng có thể chỉ số xác định bằng biểu thức số học bất kỳ. Nếu dùng biểu thức kiểu thực, thì sau khi tính giá trị của biểu thức, giá trị số thực được chuyển thành số nguyên, tức cắt bỏ phần thập phân.

Trong mục 2.1 chúng ta đã nói về các kiểu dữ liệu cơ bản. Mỗi một biến kiểu dữ liệu cơ bản trong một thời điểm chạy chương trình chỉ lưu (chứa) được một giá trị. Bây giờ ta thấy mảng là một thí dụ về kiểu dữ liệu mới cấu tạo từ các kiểu cơ bản - một biến mảng trong một thời điểm có thể lưu được nhiều giá trị số nguyên, số thực, chuỗi ký tự... Nhưng cần lưu ý rằng tất cả các phần tử của mảng, tức tất cả các giá trị của mảng phải có cùng kiểu dữ liệu. Thí dụ với mảng EMONTH vừa xét, ta không thể đưa một giá trị ký tự January vào phần tử EMONTH(1) và số thực 1.27 vào EMONTH(2).

Mảng là một yếu tố rất quan trọng trong Fortran. Sau này ta sẽ thấy sử dụng mảng trong ngôn ngữ lập trình có thể giúp viết những đoạn chương trình rất ngắn gọn, trong sáng. Đặc biệt trong các vòng lặp, chỉ bằng vài dòng lệnh có thể khiến máy tính thực hiện nhiều triệu phép tính số học.

Mô tả mảng

Mô tả mảng thực hiện ngay ở đầu chương trình và chứa thông tin về tên, chiều và kích thước mảng với toán tử DIMENSION:

DIMENSION A (n1,n2,...,nℓ), MAT (m1,m2,...,mk) size 12{"A " ( n rSub { size 8{1} } , n rSub { size 8{2} } , "." "." "." , n rSub { size 8{ℓ} } ) ," MAT " ( m rSub { size 8{1} } , m rSub { size 8{2} } , "." "." "." , m rSub { size 8{k} } ) } {}

trong đó A, MAT- size 12{"A, MAT-"} {} tên các mảng; n1,n2,...,nℓ,m1,m2,...,mk− size 12{n rSub { size 8{1} } ,n rSub { size 8{2} } , "." "." "." ,n rSub { size 8{ℓ} } ," "m rSub { size 8{1} } ,m rSub { size 8{2} } , "." "." "." ,m rSub { size 8{k} } - {}} {} các giới hạn trên của các chỉ số － chỉ ra bằng các hằng nguyên dương (giới hạn dưới luôn bằng 1 và không cần chỉ định trong mô tả).

Theo mô tả này, máy tính sẽ giành trong bộ nhớ những vùng địa chỉ để lưu tất cả các phần tử của các mảng. Các phần tử của mảng nhiều chiều được lưu liên tiếp nhau sao cho chỉ số thứ nhất biến đổi nhanh nhất, chỉ số sau cùng biến đổi chậm nhất.

Có thể mô tả mảng bằng các lệnh mô tả kiểu hiện như đối với các biến thông thường, thí dụ:

REAL MAX, L(7), A(20,21)

Trong lệnh mô tả này biến MAX được khai báo là biến số thực, có thể gọi là biến đơn, còn mảng L (biến có chỉ số) là mảng một chiều với 7 phần tử số thực, mảng A là mảng hai chiều (hai chỉ số) với giới hạn trên của chỉ số thứ nhất là 20, của chỉ số thứ hai là 21, nó gồm 420 phần tử.

Vì các giới hạn chỉ số (kích thước mảng) phải được chỉ định trước ở phần khai báo bằng các hằng nguyên dương, không thể là các biến, nên trong thực tiễn lập trình phải chú ý cân nhắc chọn các giới hạn chỉ số sao cho chúng không quá lớn làm tốn bộ nhớ, nhưng cũng phải vừa đủ để biểu diễn hết các phần tử có thể có của mảng. Thí dụ cần biểu diễn một bảng số các giá trị nhiệt độ trung bình từng tháng trong 100 năm thì ta khai báo mảng TEM(100,12) là hợp lý. Nếu dự định giải hệ phương trình đại số tuyến tính không quá 20 phương trình, ta nên khai báo các mảng REAL A(20,21), X(20) là vừa đủ để biểu diễn ma trận các hệ số ai,j size 12{a rSub { size 8{i,j} } } {} (kể cả các hệ số tự do) và các nghiệm xi size 12{x rSub { size 8{i} } } {}. Với mảng EMONTH vừa nhắc trong mục này thì lệnh khai báo sau:

CHARACTER*9 EMONTH(12)

là hoàn toàn hợp lý vì một năm chỉ có 12 tháng và tên tháng dài nhất (với tiếng Anh) là September gồm 9 chữ cái.