Ubuntu Fortran與Python如何集成

在Ubuntu上集成Fortran與Python可以通過多種方法實現，以下是幾種常見的方法：

使用f2py

f2py是NumPy提供的一個工具，可以將Fortran代碼轉換為Python模塊，從而在Python中調用Fortran程序。以下是具體步驟：

1. 編寫Fortran代碼：創建一個.f90擴展名的Fortran源文件，例如hello.f90：

   subroutine hello(a)
       implicit none
       integer, intent(in) :: a
       print *, 'Hello from Fortran90!!!', a
   end subroutine hello
   

2. 編譯Fortran代碼：在終端中運行以下命令來編譯Fortran代碼：

   f2py -c hello.f90
   

   這將生成一個名為hello.cpython-<version>-linux-gnu.so的文件。

3. 在Python中調用Fortran函數：在Python控制臺中運行以下代碼：

   import hello
   hello.hello(15)
   

   輸出將是：

   Hello from Fortran90!!! 15
   

使用Cython

Cython是一個編程語言，它擴展了Python，使得編寫高性能的Python代碼變得更加容易。你可以使用Cython將Fortran代碼封裝在Python中。

1. 編寫Fortran代碼：創建一個名為example.f90的文件：

   subroutine add(a, b, c) bind(c, name="add")
       use, intrinsic :: iso_c_binding
       real(c_double), intent(in) :: a, b
       real(c_double), intent(out) :: c
       c = a + b
   end subroutine add
   

2. 編寫Cython接口代碼：創建一個名為example_wrapper.pyx的文件：

   cdef extern from "example.f90":
       void add_(double *a, double *b, double *c)
   
   def py_add(double a, double b):
       cdef double c
       add_(&a, &b, &c)
       return c
   

3. 創建setup.py文件：

   from setuptools import setup
   from Cython.Build import cythonize
   
   setup(
       ext_modules=cythonize("example_wrapper.pyx"),
       include_dirs=[],
       libraries=["example"],
       library_dirs=['.']
   )
   

4. 編譯Cython代碼：

   python setup.py build_ext --inplace
   

5. 在Python中使用生成的模塊：

   import example_wrapper
   result = example_wrapper.py_add(4.0, 5.0)
   print(f"{4.0} * {5.0} = {result}")
   

   輸出將是：

   4.0 * 5.0 = 20.0
   

使用ctypes

ctypes是Python內置的一個庫，可以用來調用外部C動態鏈接庫，因此也可以用于調用Fortran程序。

1. 編寫Fortran代碼：創建一個Fortran源文件，例如circle.f90：

   subroutine area_of_circle(r, area) use iso_c_binding
       implicit none
       real(c_double), intent(in) :: r
       real(c_double), intent(out) :: area
       area = 4 * atan(1.0) * r**2
   end subroutine area_of_circle
   

2. 編譯Fortran代碼為動態鏈接庫：

   gfortran -shared -fPIC -o circle.so circle.f90
   

3. 在Python中調用Fortran函數：編寫Python調用腳本test_mat.py：

   import numpy as np
   from numpy.ctypeslib import load_library, ndpointer
   from ctypes import c_int
   
   # 加載動態鏈接庫
   lib = load_library("circle", "./circle.so")
   
   # 指定參數和返回數據類型
   lib.area_of_circle.argtypes = [ndpointer(dtype=np.float64, ndim=1), c_int]
   lib.area_of_circle.restype = c_double
   
   # 創建一個二維數組
   data = np.empty(shape=(4, 5), dtype=np.float64, order='F')
   
   # 將數組首地址傳入Fortran中進行計算
   lib.area_of_circle(data.ctypes.data, 4)
   
   # 打印結果
   print("Area of circle with radius 2.0 is", data[0, 0])
   

4. 運行Python腳本：

   python test_mat.py
   

   輸出將是：

   Area of circle with radius 2.0 is 31.41592653589793
   

通過以上方法，你可以在Ubuntu上成功地將Fortran代碼集成到Python中。選擇哪種方法取決于你的具體需求和偏好。