modul
4.1 Khái niệm
Trong lập trình, nhất là đối với những bài tốn lớn, các ch−ơng trình th−ờng bao gồm nhiều bộ phận khác nhau, trong đó có những bộ phận th−ờng đ−ợc sử dụng lặp đi lặp lại nhiều lần. Ngồi ra, những đoạn ch−ơng trình này có thể đ−ợc sử dụng cho các ch−ơng trình khác. Việc viết một ch−ơng trình trong đó có nhiều đoạn trùng lặp nhau sẽ gây ra sự nhàm chán và khơng hiệu quả, thậm chí làm cho ch−ơng trình trở nên rối rắm hơn. Để tổ chức một ch−ơng trình gọn gàng, dễ khai thác, Fortran cho phép phân mảnh ch−ơng trình và tạo thành các ch−ơng trình con.
Có hai khái niệm ch−ơng trình con là thủ tục (SUBROUTINE) và hàm (FUNCTION). Các ch−ơng trình con cũng có thể chia thành hai loại là ch−ơng trình con trong và ch−ơng
trình con ngồi. Ta cũng có thể chọn ra những ch−ơng trình con trong số các ch−ơng
trình con để tạo ra một th− viện riêng cho mình. Tập hợp các ch−ơng trình con này đ−ợc gọi là modul. Các ch−ơng trình chính (Main Program), ch−ơng trình con ngồi (External Subprogram) và các modul đ−ợc gọi là các đơn vị ch−ơng trình (Program Unit). Về nguyên tắc, các ch−ơng trình con trong sẽ nằm trong các đơn vị ch−ơng trình khác và đ−ợc biên dịch cùng với đơn vị ch−ơng trình mà nó phụ thuộc, trong khi các ch−ơng trình con ngồi có thể đ−ợc biên dịch một cách độc lập. Cái khác nhau cơ bản giữa ch−ơng trình con trong và ch−ơng trình con ngồi là ở chỗ, trong khi các ch−ơng trình con trong có thể sử dụng tên biến, hằng và những khai báo của đơn vị ch−ơng trình quản lý nó, thì các ch−ơng trình con ngồi, do khơng đ−ợc phép nằm trong đơn vị ch−ơng trình khác nên khơng có tính chất đó.
Cũng cần chú ý phân biệt các khái niệm đơn vị ch−ơng trình, (bộ) ch−ơng trình và file. Trong một file có thể chứa nhiều đơn vị ch−ơng trình và chúng có thể gộp lại thành một (bộ) ch−ơng trình. Nói chung ta không nên tổ chức nh− vậy, nhất là đối với những ch−ơng trình lớn, mà nên tách các đơn vị ch−ơng trình ra, mỗi đơn vị ch−ơng trình chứa trong một file. Nói cách khác, nếu một (bộ) ch−ơng trình gồm một ch−ơng trình chính và
n ch−ơng trình con là các đơn vị ch−ơng trình thì chúng nên đ−ợc l−u trữ trong n+1 file
tách biệt. Cách tổ chức này cho phép các ch−ơng trình khác nhau sử dụng chung những đơn vị ch−ơng trình nh− nhau. Tuy nhiên, ta khơng thể l−u trữ các ch−ơng trình con
trong vào các file tách biệt với các đơn vị ch−ơng trình quản lý nó, ngoại trừ tr−ờng hợp
sử dụng câu lệnh INCLUDE (sẽ đ−ợc trình bày sau).
4.2 Th− viện các hàm trong
Tr−ớc đây, ta đã làm quen với cách sử dụng hàm th− viện trong Fortran. Trong một số ví dụ, các hàm th− viện này cũng đã đ−ợc sử dụng, nh− hàm tính căn bậc hai, hàm
83 tính cosin của một góc,… Để thuận tiện cho việc tham khảo, tra cứu, trong phần phụ lục đã dẫn ra những hàm thơng dụng nhất trong th− viện các ch−ơng trình con của Fortran. Sau đây là một ví dụ về cách sử dụng các hàm th− viện này.
Ví dụ 4.1. Viết ch−ơng trình lập bảng tra giá trị hàm sin và cosin của các góc nằm
trong khoảng 0−90o.
Ta có thể viết ch−ơng trình nh− sau.
PROGRAM BANG_SIN_COS IMPLICIT NONE
REAL Pi INTEGER I,J PI=4.*atan(1.)
WRITE(*,'(" ",11I7)') (I,I=0,60,6) DO j=0,89
WRITE(*,'(I3,1X,11F7.5,I4)') &
J,(SIN((REAL(j)+I/60.)/180.*pi),I=0,60,6), 89-J ENDDO
WRITE(*,'(" ",11I7)') (60-I,I=0,60,6) END
Trong ch−ơng trình trên đã sử dụng ba hàm th− viện của Fortran là hàm ATAN, hàm SIN và hàm REAL. Hàm ATAN(x) để tính acrtan của số x. Vì Fortran khơng định
nghĩa hằng số π nên ta phải tính π/4 = arctan (1), hàm SIN để tính sin của các góc từ 0−90o mà giá trị của chúng trong khoảng này đ−ợc lấy cách nhau 6 phút. Đối số của các hàm l−ợng giác, nh− sin, cos, tang, cotang, phải là radian. Còn hàm REAL dùng để đổi số nguyên J thành số thực, nó khác với lệnh khai báo REAL dùng để khai báo các biến có
kiểu số thực trong phần khai báo.
4.3 Các ch−ơng trình con trong
4.3.1 Hàm trong (Internal FUNCTION)
Hàm trong có thể đ−ợc khai báo nh− sau.
[KiểuDL][RECURSIVE] FUNCTION TenHam &
([Các_đối_số]) [RESULT (TenKetQua) ] [Các_câu_lệnh_khai_báo]
[Các_câu_lệnh_thực hiện] [TenHam = ...]
END FUNCTION [TenHam]
Trong đó:
KiểuDL là kiểu dữ liệu mà hàm sẽ trả về. Ta có thể bỏ qua tùy chọn này khi sử
dụng tùy chọn RESULT.
RECURSIVE là tùy chọn để chỉ hàm là hàm đệ qui.
TenHam là tên của hàm, đ−ợc dùng để gọi tới hàm.
TenKetQua là tên biến chứa kết quả trả về của hàm. Nếu sử dụng tùy chọn này thì
câu lệnh TenHam = ... khơng đ−ợc phép xuất hiện. Ng−ợc lại, nếu không sử dụng tùy chọn RESULT thì phải có dịng lệnh TenHam = ... để trả về kết quả của hàm.
Hàm có thể đ−ợc gọi tới bằng cách hoặc gán giá trị hàm cho biến, hoặc hàm tham gia vào biểu thức tính:
TenBien = TenHam ( [Các_đối_số] )
Ví dụ, câu lệnh
Cx = COS (x)
sẽ tính giá trị cosin của x bằng lời gọi hàm COS(x) rồi gán cho biến Cx. Còn trong câu lệnh
Pi = 4.0 * ATAN (1.0)
giá trị của arctan(1.0) đ−ợc tính thơng qua lời gọi hàm ATAN(1.0), sau đó lấy kết quả nhận đ−ợc nhân với 4.0 rồi mới gán giá trị của biểu thức cho biến Pi.
Khi xây dựng hàm, Các_đối_số là những đối số hình thức, nh−ng khi gọi hàm thì
Các_đối_số phải đ−ợc thay vào đó là danh sách đối số thực. Ví dụ, hàm YNew đ−ợc xây
dựng với ba đối số hình thức X, Y, A:
FUNCTION YNew ( X, Y, A ) ...
YNew = ... END FUNCTION YNew
Khi hàm này đ−ợc gọi tới, các đối số hình thức đ−ợc thay bởi những đối số thực:
U = ... V = ... Pi = ...
Y = YNew( U, V, Pi/2 )
Các đối số hình thức và đối số thực phải t−ơng ứng 1-1 về thứ tự xuất hiện cũng nh− kiểu dữ liệu của chúng.
4.3.2 Thủ tục trong (Internal SUBROUTINE)
Về cơ bản cú pháp khai báo thủ tục giống với khai báo hàm. Chỉ có một số khác biệt sau:
− Khơng có giá trị nào đ−ợc liên kết với tên thủ tục − Để gọi tới thủ tục phải dùng từ khóa CALL
− Từ khóa SUBROUTINE đ−ợc dùng để định nghĩa thủ tục thay cho từ khóa
85 − Hàm khơng có đối số sẽ đ−ợc gọi tới bằng cách thêm vào sau tên hàm cặp dấu ngoặc đơn rỗng ( ) (Ví dụ, MyFunction() ), nh−ng nếu thủ tục khơng có đối số thì khi gọi tới sẽ khơng cần cặp dấu ngoặc đơn này (Ví dụ: CALL MySubroutine).
Cú pháp khai báo thủ tục nh− sau.
SUBROUTINE TenThuTuc [( Các_đối_số )] [Các_câu_lệnh_khai_báo]
[Các_câu_lệnh_thực_hiện] END SUBROUTINE [TenThuTuc]
Trong đó Các_đối_số là danh sách đối số hình thức, đ−ợc liệt kê cách nhau bởi dấu phẩy.
Lời gọi thủ tục:
CALL TenThuTuc [( Các_đối_số_thực )]
Trong đó danh sách các đối số hình thức và danh sách các đối số thực cũng phải t−ơng ứng 1−1 với nhau.
Chú ý:
• Nói chung hàm là một ch−ơng trình con chỉ trả về duy nhất một giá trị: Giá trị của hàm ứng với các đối số. (Sau này ta sẽ thấy hàm có thể trả về nhiều giá trị)
• Trong định nghĩa hàm (FUNCTION), tr−ớc khi trả về ch−ơng trình gọi, giá trị của hàm luôn đ−ợc xác định bởi một câu lệnh gán hoặc cho TenHam hoặc cho biến
TenKetQua trong tùy chọn RESULT. Đối với các thủ tục thì kết quả có thể sẽ đ−ợc
trả về thông qua danh sách các đối số, cũng có thể là một hoặc một số nhiệm vụ nào đó.
• Hàm (và thủ tục) kết thúc ở câu lệnh END cuối cùng. Tuy nhiên cũng có thể sử dụng câu lệnh RETURN để trả về ch−ơng trình gọi. Khi gặp câu lệnh RETURN ch- −ơng trình con sẽ đ−ợc giải phóng và quay về ch−ơng trình gọi, bất chấp sau nó có cịn câu lệnh thực hiện nào hay không.
4.4 Câu lệnh CONTAINS
Câu lệnh CONTAINS là câu lệnh không thực hiện, dùng để phân cách thân ch−ơng trình chính (chính xác hơn là đơn vị ch−ơng trình) với các ch−ơng trình con trong thuộc nó. Các ch−ơng trình con trong đ−ợc sắp xếp ngay sau câu lệnh CONTAINS và tr−ớc từ khóa END của ch−ơng trình chính. Bố cục tổng qt của ch−ơng trình có dạng nh− sau.
PROGRAM TenChuongTrinh [Các_câu_lệnh_khai_báo] [Các_câu_lệnh_thực_hiện] [CONTAINS
Các_ch−ơng_trình_con_trong ] END [PROGRAM [TenChuongTrinh]]
ở đây, Các_ch−ơng_trình_con_trong là những hàm trong hoặc thủ tục trong chịu sự quản lý của ch−ơng trình TenChuongTrinh. Ví dụ, trong ch−ơng trình sau đây,
CT_CHINH sẽ gọi đến ch−ơng trình con trong có tên là CT_CON. PROGRAM CT_CHINH
REAL A(10) . . .
CALL CT_CON (A) CONTAINS
SUBROUTINE CT_CON (B) REAL B(10)
. . .
END SUBROUTINE CT_CON END PROGRAM CT_CHINH
4.5 Một số ví dụ về ch−ơng trình con trong
Ví dụ 4.2. Tính tích phân xác định =∫b a dx ) x ( f I bằng ph−ơng pháp hình thang. Giả sử 2 2 1 2 1 x e ) x ( f − π
= . Ta lần l−ợt chia khoảng (a; b) ra làm N đoạn bằng nhau
∆x=(b−a)/N, xác định bởi các điểm chia x0=a, x1=x0+∆x,..., xN=b; mỗi lần nh− vậy ta tính
diện tích của N hình thang xác định bởi các đáy f(xi), f(xi+∆x) và chiều cao ∆x. Giá trị của
tích phân sẽ đ−ợc xấp xỉ bởi tổng diện tích của N hình thang này. Rõ ràng, khi N càng lớn thì tổng diện tích của các hình thang này càng tiệm cận tới giá trị tích phân. Do đó độ chính xác của phép xấp xỉ này đ−ợc xác định bởi sai số t−ơng đối |((S2−S1)/S2) < ε|, trong đó S1 và S2 là tổng diện tích các hình thang ứng với N=K và N=K+1. Từ đó ta có sơ đồ tính và lời ch−ơng trình nh− sau.
B1) Cho giá trị của a, b (a<b), Epsilon B2) Khởi tạo N=0, S1=0
B3) Tăng số khoảng chia lên 1: N = N+1
B4) Chia đoạn (a; b) làm N khoảng, với cự ly mỗi khoảng DelX = (b−a)/N B5) Tính tổng diện tích N hình thang và gán cho S2:
1) Gán S2=0
2) Lặp lại N lần, mỗi lần ứng với một hình thang: j = 1, 2,…, N a) Xác định x1, x2, f(x1), f(x2): x1=a+(j−1)*DelX; x2=x1+DelX b) Tính diện tích hình thang thứ j: Tmp = (f(x1) + f(x2) ) * DelX / 2 c) Cộng dồn diện tích hình thang vừa tính vào S2: S2=S2+Tmp B6) Tính sai số: SS=ABS( (S2−S1)/S2)
B7) Kiểm tra điều kiện kết thúc:
87 2) Nếu SS >= Epsilon:
a) L−u giá trị S2 vào S1: S1 = S2 b) Lặp lại từ b−ớc B3)
PROGRAM TICHPHAN INTEGER N, J REAL S1,S2,DELX
REAL X, F1,F2, SS,EP, HSO
REAL, PARAMETER :: EP=1.E-4, A=0., B=3. N=0 S1=0 DO N=N+1 DELX = (B-A)/REAL(N)/2.0 S2=0 DO J=1,N X = A + (J-1)*DELX IF (J>1) THEN F1 = F2 ELSE F1= F(X) END IF X = X + DELX F2= F(X) S2= S2 + (F1+F2)*DELX END DO SS = ABS((S2-S1)/S2) IF (SS < EP ) EXIT S1 = S2
PRINT*,'SO HINH THANG =',N END DO
PRINT '('' GIA TRI TP = '',F10.4)', S2 CONTAINS
FUNCTION F(X) RESULT (Fr)
Fr=1.0/SQRT(2.0*(4.0*ATAN(1.)))*EXP(-0.5*X*X) END FUNCTION F
END
Trong ch−ơng trình trên, giá trị các cận tích phân và sai số cho phép đ−ợc khởi tạo thông qua lệnh khai báo hằng, F(X) là hàm trong với đối số hình thức là X. Kết quả trả về của hàm đ−ợc l−u trong biến Fr ở tùy chọn RESULT.
Ví dụ 4.3. Giải ph−ơng trình f(x) = 0 bằng ph−ơng pháp lặp Newton.
Nội dung ph−ơng pháp lặp Newton giải ph−ơng trình f(x)=0 có thể tóm tắt qua các b−ớc nh− sau.
2) Gán x bởi x−f(x)/f’(x), trong đó f’(x) là đạo hàm bậc nhất của f(x) 3) Tính và kiểm tra điều kiện f(x) ~ 0
− Nếu ch−a thỏa mãn thì quay lại b−ớc 2)
− Nếu thỏa mãn thì in kết quả và kết thúc ch−ơng trình.
Giả sử cho f(x) = x3 + x − 3. Khi đó f’(x) = 3x2 + 1. Ta chọn giá trị khởi tạo của x là 2.
Điều kiện để xem x là nghiệm gần đúng của ph−ơng trình là: hoặc thỏa mãn f(x) < 10−6 hoặc số lần lặp lớn hơn hoặc bằng 20. Lời ch−ơng trình nh− sau.
PROGRAM Newton
! Giai PT f(x) = 0 bang PP Newton IMPLICIT NONE
INTEGER :: Its = 0 ! Dem lan lap
INTEGER :: MaxIts = 20 ! So lan lap cuc dai LOGICAL :: Converged = .false. ! Dieu kien hoi tu REAL :: Eps = 1E-6 ! Sai so cho phep
REAL :: X = 2. ! Gia tri nghiem khoi tao DO WHILE (.NOT. Converged .AND. Its < MaxIts) X = X - F(X) / DF(X)
PRINT*, X, F(X) Its = Its + 1
Converged = ABS( F(X) ) <= Eps END DO
IF (Converged) THEN PRINT*, 'Hoi tu' ELSE
PRINT*, 'Phan ky' END IF PRINT*,’Nghiem PT: X = ‘,X CONTAINS FUNCTION F(X) REAL F, X F = X ** 3 + X - 3 END FUNCTION F FUNCTION DF(X) REAL DF, X DF = 3 * X ** 2 + 1 END FUNCTION DF
END PROGRAM Newton
Trong ch−ơng trình trên, các hàm trong F(X) và DF(X) đ−ợc trả về thông qua lệnh gán TenHam = …, khác với ví dụ ở mục tr−ớc là giá trị của hàm đ−ợc trả về thông qua biến ở tùy chọn RESULT.
Ví dụ 4.4. In một dãy các ký tự giống nhau.
Ch−ơng trình sau đây cho phép in ra một dãy các ký tự giống nhau, trong đó số l−ợng ký tự đ−ợc cho ở đối số thứ nhất và mã ASCII của ký tự đ−ợc cho ở đối số thứ hai của thủ tục DayKyTu.
89
IMPLICIT NONE
CALL DayKyTu( 5, 65 ) ! 5 chu A lien tuc CONTAINS
SUBROUTINE DayKyTu ( Num, Symbol ) INTEGER I, Num, Symbol
CHARACTER*80 Line DO I = 1, Num
Line(I:I) = ACHAR( Symbol ) END DO
PRINT*, Line END SUBROUTINE END
Câu lệnh Line(I:I) = ACHAR( Symbol ) trong ch−ơng trình con trên có nghĩa là gán ký tự thứ I của xâu Line bởi ký tự ACHAR( Symbol ).
Nh− đã thấy, thủ tục DayKyTu trên đây nhận hai tham số đầu vào là 5 (5 ký tự) và 65 (ký tự thứ 65 trong bảng mã ASCII − chữ A) và truyền cho các đối số t−ơng ứng Num và Symbol. Kết quả của lời gọi thủ tục này là in ra 5 chữ A liên tục.
Ví dụ 4.5. Tính tổ hợp chập )! k n ( ! k ! n Cnk − = .
Để tính tổ hợp chập cần phải xây dựng hàm tính giai thừa. Ch−ơng trình sau tính và in tổ hợp chập từ 0 đến 10 của 10. PROGRAM TOHOPCHAP INTEGER I DO I = 0, 10 PRINT*, I, Fact(10)/(Fact(I)*Fact(10-I)) END DO CONTAINS FUNCTION Fact ( N )
INTEGER Fact, N, Temp , I Temp = 1 DO I = 2, N Temp = I * Temp END DO Fact = Temp END FUNCTION END
4.6 Biến toàn cục và biến địa ph−ơng
Hãy xét hai ch−ơng trình d−ới đây, trong đó mục đích của các ch−ơng trình này là tính và in lần l−ợt giai thừa của các số từ 1 đến 10. Ta hãy để ý đến sự khác nhau giữa chúng.
Ví dụ 4.6.
PROGRAM VER1 INTEGER I
DO I = 1, 10
PRINT*, I, Fact(I) END DO
CONTAINS
FUNCTION Fact ( N ) INTEGER Fact, N, Temp Temp = 1 DO I = 2, N Temp = I * Temp END DO Fact = Temp END FUNCTION END và PROGRAM VER2 INTEGER I DO I = 1, 10 PRINT*, I, Fact(I) END DO CONTAINS FUNCTION Fact ( N )
INTEGER Fact, N, Temp, I Temp = 1 DO I = 2, N Temp = I * Temp END DO Fact = Temp END FUNCTION END
Khi lần l−ợt chạy các ch−ơng trình này ta thấy mặc dù cả hai ch−ơng trình này viết
gần nh− hoàn toàn giống nhau, nh−ng kết quả lại rất khác nhau. Vì sao vậy? Vấn đề ở
chỗ là sự có mặt của biến I trong câu lệnh khai báo của ch−ơng trình con Fact:
INTEGER Fact, N, Temp, I
Vì ch−ơng trình con Fact là ch−ơng trình con trong, nên khi biến I không đ−ợc
khai báo, nó sẽ sử dụng biến đã đ−ợc khai báo bởi ch−ơng trình chính điều khiển nó. Nh− vậy, ở ch−ơng trình VER1, biến I đồng thời bị điều khiển bởi cả ch−ơng trình chính lẫn ch−ơng trình con. Tác động của q trình dùng chung biến I có thể đ−ợc mơ tả nh− sau.
− Khi trong ch−ơng trình chính (CTC) biến I=1, nó sẽ truyền tham số N=I=1 cho ch−ơng trình con (FACT), đồng thời trong FACT, biến I=2, 1 nên Fact=Tmp=1 (Vịng DO khơng thực hiện). Khi FACT trả về CTC thì I=2.
− Sau khi FACT trả về CTC thì biến I đ−ợc tăng lên do nó là biến điều khiển của chu trình DO: I=I+1=2+1=3, và giá trị này lại truyền cho FACT, nên N=I=3, đồng thời trong
91
FACT, I=2, 3 do đó Fact=1.2.3=6 (Ra khỏi vòng DO của FACT: I=N+1 = 3+1 =4).
Khi FACT trả về CTC thì I=4.
− Tiếp tục, trong CTC: I=I+1=4+1=5; khi truyền tham số cho FACT thì N=I=5, và trong FACT: I=2, 5 nên Fact = 1.2.3.4.5 = 120 (Ra khỏi vòng DO của FACT: I=N+1=5+1=6). FACT lại trả về CTC giá trị của I=6.
Quá trình cứ tiếp diễn nh− vậy và giai thừa của các số chẵn khơng đ−ợc tính cho đến khi xuất hiện lỗi do biến I bị rối loạn.
Nh−ng, nếu trong ch−ơng trình con ta khai báo thêm biến I, nh− ở ch−ơng trình
VER2, thì q trình tính tốn diễn ra chính xác và ch−ơng trình kết thúc bình th−ờng.
Biến I khai báo trong ch−ơng trình chính đ−ợc gọi là biến tồn cục, cịn biến I khai báo trong ch−ơng trình con là biến địa ph−ơng. Các ch−ơng trình con trong đ−ợc phép tham chiếu đến các biến toàn cục khi các biến địa ph−ơng không đ−ợc khai báo. Tuy