Ubuntu中Fortran内存管理方法 - 问答

静态内存分配
静态内存分配是Fortran的默认内存管理方式，适用于编译时已知大小的数据结构（如固定大小的数组）。这种方式的内存由编译器直接分配，在程序整个生命周期内存在，无需手动释放。例如：

program static_example
    implicit none
    integer, dimension(100) :: fixed_array  ! 编译时分配100个整数的内存
    fixed_array = [(i, i=1, 100)]           ! 初始化数组
    print *, fixed_array
end program static_example

静态分配的优点是效率高（无运行时分配开销），缺点是内存浪费（若实际使用量远小于分配量）或不足（若实际使用量超过编译时定义的大小）。

动态内存分配（核心方法）
动态内存分配通过ALLOCATE和DEALLOCATE语句实现，适用于运行时确定大小的数据（如用户输入大小的数组）。其核心逻辑是：运行时根据需求分配内存，使用完毕后主动释放。

基本语法：

ALLOCATE(数组名(维界符), STAT=状态变量)  ! 分配内存，STAT可选检查状态
DEALLOCATE(数组名, STAT=状态变量)        ! 释放内存，STAT可选检查状态

示例代码：

program dynamic_example
    implicit none
    integer, allocatable :: dynamic_array(:)
    integer :: n, stat

    print *, "Enter array size:"
    read *, n

    allocate(dynamic_array(n), stat=stat)  ! 动态分配n个整数的内存
    if (stat /= 0) then
        print *, "Memory allocation failed!"
        stop
    end if

    dynamic_array = [(i, i=1, n)]          ! 初始化数组
    print *, dynamic_array

    deallocate(dynamic_array, stat=stat)   ! 释放内存
    if (stat /= 0) then
        print *, "Memory deallocation failed!"
    end if
end program dynamic_example

注意事项：
- 必须检查分配状态（STAT参数），避免内存不足导致程序崩溃；
- 动态分配的数组在使用完毕后必须手动释放（DEALLOCATE），否则会导致内存泄漏（内存持续占用直至程序结束）；
- 已分配的数组不能再次分配（否则会引发运行时错误）。

内存状态检查与错误处理

ALLOCATED函数：用于检查数组是否已被分配内存，返回逻辑值（.TRUE.表示已分配，.FALSE.表示未分配）。常用于动态数组分配前的状态判断，避免重复分配。例如：
```
if (.NOT. ALLOCATED(dynamic_array)) then
    allocate(dynamic_array(100))
end if
```
STAT参数：ALLOCATE和DEALLOCATE的可选参数，用于捕获操作状态。若操作成功，STAT=0；若失败，STAT返回非零值（具体值取决于系统）。例如：
```
allocate(large_array(1000000000), stat=stat)
if (stat /= 0) then
    print *, "Failed to allocate memory. Error code:", stat
    stop
end if
```
这种机制能有效避免程序因内存分配失败而异常终止。

现代Fortran扩展特性

MOVE_ALLOC函数：Fortran 2003引入，用于高效调整动态数组大小或在数组间转移内存。其优势是不需要复制数据，直接修改数组的分配状态。例如：

subroutine resize_array(arr, new_size)
    implicit none
    integer, allocatable, intent(inout) :: arr(:)
    integer, intent(in) :: new_size
    integer, allocatable :: temp(:)

    if (allocated(arr)) then
        call move_alloc(arr, temp)  ! 将arr的内存转移到temp
    end if
    allocate(arr(new_size))         ! 分配新大小的内存
    if (allocated(temp)) then
        arr(1:min(size(temp), new_size)) = temp(1:min(size(temp), new_size))  ! 复制原有数据
        deallocate(temp)              ! 释放临时数组
    end if
end subroutine resize_array

ISO_C_BINDING模块：用于与C语言交互，可调用C的内存管理函数（如malloc、free），适用于需要精细控制内存的场景（如与C库集成）。例如：

use iso_c_binding, only: c_ptr, c_int, c_alloc, c_free
implicit none
type(c_ptr) :: c_ptr_var
integer(c_int), pointer :: int_array(:)
integer :: n

n = 100
c_ptr_var = c_alloc(n * c_sizeof(c_int))  ! C风格内存分配
call c_f_pointer(c_ptr_var, int_array, [n])  ! 将C指针转为Fortran指针
int_array = [(i, i=1, n)]
call c_free(c_ptr_var)                    ! C风格内存释放

这些特性增强了Fortran的内存管理灵活性，适应复杂应用场景。

内存管理最佳实践

优先使用静态分配：对于大小固定的数据（如常量数组），尽量使用静态分配，减少运行时开销。
及时释放动态内存：动态分配的内存必须在不再使用时通过DEALLOCATE释放，尤其是在子程序中（避免子程序返回后内存仍被占用）。
减少频繁分配/释放：频繁的内存操作（如循环内分配）会降低性能，建议在循环外分配内存，循环内复用。
使用合适的数据类型：根据需求选择最小的数据类型（如用real(4)代替real(8)，用integer(4)代替integer(8)），减少内存占用。
检测内存泄漏：使用工具（如Valgrind）检测程序中的内存泄漏。例如，在Ubuntu中安装Valgrind并运行程序：
```
sudo apt install valgrind
valgrind --leak-check=full ./your_fortran_program
```
Valgrind会报告未释放的内存，帮助定位泄漏点。

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