Ubuntu Fortran与Python如何集成 - 问答

在Ubuntu上集成Fortran与Python可以通过多种方法实现，以下是几种常见的方法：

使用f2py

f2py是NumPy提供的一个工具，可以将Fortran代码转换为Python模块，从而在Python中调用Fortran程序。以下是具体步骤：

编写Fortran代码：创建一个.f90扩展名的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

编译Fortran代码：在终端中运行以下命令来编译Fortran代码：
```
f2py -c hello.f90
```
这将生成一个名为hello.cpython-<version>-linux-gnu.so的文件。
在Python中调用Fortran函数：在Python控制台中运行以下代码：
```
import hello
hello.hello(15)
```
输出将是：
```
Hello from Fortran90!!! 15
```

使用Cython

Cython是一个编程语言，它扩展了Python，使得编写高性能的Python代码变得更加容易。你可以使用Cython将Fortran代码封装在Python中。

编写Fortran代码：创建一个名为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

编写Cython接口代码：创建一个名为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

创建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=['.']
)

编译Cython代码：
```
python setup.py build_ext --inplace
```

在Python中使用生成的模块：

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

输出将是：

4.0 * 5.0 = 20.0

使用ctypes

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。

编写Fortran代码：创建一个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

编译Fortran代码为动态链接库：

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

在Python中调用Fortran函数：编写Python调用脚本test_mat.py：

import numpy as np
from numpy.ctypeslib import load_library, ndpointer
from ctypes import c_int

# 加载动态链接库
lib = load_library("circle", "./circle.so")

# 指定参数和返回数据类型
lib.area_of_circle.argtypes = [ndpointer(dtype=np.float64, ndim=1), c_int]
lib.area_of_circle.restype = c_double

# 创建一个二维数组
data = np.empty(shape=(4, 5), dtype=np.float64, order='F')

# 将数组首地址传入Fortran中进行计算
lib.area_of_circle(data.ctypes.data, 4)

# 打印结果
print("Area of circle with radius 2.0 is", data[0, 0])

运行Python脚本：

python test_mat.py

输出将是：

Area of circle with radius 2.0 is 31.41592653589793

通过以上方法，你可以在Ubuntu上成功地将Fortran代码集成到Python中。选择哪种方法取决于你的具体需求和偏好。

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