Fortran程序设计基本计算选择控制结构.docx

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Fortran程序设计基本计算选择控制结构

第10章基本计算

（二）选择控制结构

在上章我们可以看到，赋值语句之所以能够驱动计算过程的运行，除了赋值语句本身构成完整的运算求值指令之外，计算机本身所具有的串行机制保证了，只要把执行语句与说明语句串列下来，然后保证数据对象流的畅通，计算机就能够按照语句序列的次序依次执行下来，从而完成相应的计算任务。

不过分析一下我们的实际计算任务，就会发现真正完全可以只需要按照一个固有计算序列算下来，就可以完成计算的问题只是少数简单的问题而已，稍微复杂点的问题往往都需要在计算过程当中出现某种判别问题，使得计算途径可以分支，对不同的情形，会有不同的计算途径与不同的计算结果；还会出现反复进行同一种运算，然后再在适当的条件下跳出循环的情形，如果只是使用串行序列来描述此时的运算过程，会使得程序的写作充满重沓的语句。

显然这些类型的计算任务，或者是语句串行序列无法描述的，或者是描述发生令人难以忍受的。

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所以一种描述计算过程的语言，除了可以构成串行的计算序列之外，还必须能够控制这个序列有可能出现的选择分支与循环的情形，这就是所谓语言的控制结构。

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本章和下章，我们将分别讨论FORTRAN所提供的两种类型的控制结构以及相应的控制语句：

•选择控制结构；

•循环控制结构。

把程序序列当中的控制结构清晰地加以强调出来，实际上既有助于程序的阅读，也是符合人的思维的清晰性原则的，因此控制结构的规范化正是编程语言追求结构化的一个主要着力点，但是在早期FORTRAN版本里面，并没有完全意识到结构化编程风格的重要性，因此引入了一些常常破坏结构的转移控制语句，而FORTRAN语言的现代版本还没有完全放弃它们，但不提倡使用，这些转移控制语句我们在下章也将简略地讨论到。

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10.1执行顺序

一个完整的FORTRAN程序，或程序单位，就给出了一个由可执行语句引导的语句执行序列，这个序列就是语句在程序里面出现的序列，称为正常运行序列。

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但是某些可执行结构或可执行语句，能够控制实际的语句运行不止是按照语句书写的序列进行，这样的可执行结构或语句包括控制结构和分支语句。

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控制语句执行序列有两种基本风格：

•使用可执行结构，使得程序能够选择性地运行程序序列里某个特定位置的语句块或

结构。

•使用能够分支到程序其他任意位置的语句的可执行语句。

一般说来，上面的第一种方式具有更好的可阅读性和可维护性，因此我们将详细讨论第一种方式的实现，而第二种方式则放在下章末尾简略说明一下。

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10.2块与可执行结构

所谓控制结构由一个或多个语句块和结构构成，其中必定显式地或隐式地包含控制逻辑语句。

根据相应的逻辑控制条件，就可以选择性地运行某个特定的语句块与结构。

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一个块就是一个由0个或多个语句与结构构成的序列，句法形式（R801）为：

[execution-part-construct]…

构成块的语句与结构的序列构成一个程序单位，是一个某种意义上的整体，即或者整个块被执行，或者整个块都不被执行，不能够出现块的某个部分被执行的情形。

不过也可能出现在整个块被执行的情况下，块内的某些语句没有被执行的情况，例如在块内的比较靠前的分支语句，常常能够制止它后面的语句得到执行，但是从语法意义上来看，整个块的功能得到了完整的实现，因此这种情形也被认为是块的完全执行。

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所谓结构就是由一个或多个语句块或者结构，加上作用于这些块的控制语句构成。

•结构通常在块前具有一个初始语句，而在块后具有一个终止语句；

•当结构包含不止一个块时，结构必定包含了用来选择执行哪个块的条件语句，而一个块是否被执行，正是由结构的作为条件语句的控制逻辑语句当中的表达式决定的；个人收集整理勿做商业用途

•结构也有可能在块之间放置特定的语句，用来决定相应的块是否被执行；

•DO结构专门用来决定一个块可以被连续地执行的次数。

【例10-1】下面给出的可执行结构控制了一个块：

IF（K<=1）THEN！

IF结构的初始语句

X=K**2！

块的第一个语句

Y=SIN（X）！

块的第二个语句

ENDIF！

IF结构的终止语句

FORTRAN提供了三种能够控制块的可执行结构：

•IF结构

•CASE结构

•DO结构

块的一般规则如下：

•首先执行块内的第一个语句或结构，随后的执行顺序就是语句的排列顺序，除非中间包含控制结构或语句改变这个顺序。

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•一个块作为一个整体，必须是完整地被包含在一个结构当中；一个块也可以是空块，即不包含任何语句与结构。

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•在块内允许出现分支结构或控制结构，使得运行序列能够转移到该块内的特定语句或结构。

•在块内的任意位置，都可以强制运行的退出。

•从块的外部通过分支到达块的内部，哪怕是块内的第一个可执行语句，都是禁止的。

•块内可以引用过程。

•结构可以具有结构名称。

•结构名称在结构的初始语句和终止语句当中的出现，必须是成对的，也就是说或者同时出现在这两个位置，或者都不出现。

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在上章我们讨论了WHERE结构与FORALL结构，它们似乎同样具有控制结构的功能，但实质上它们都是属于赋值语句。

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WHERE结构可以包含多个块，但是除了块内的某些数组元素被过滤网过滤掉，从而不参与计算之外，每个块内的每个语句，都必须被执行。

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FORALL结构只包含一个块，FORALL对这个块的执行控制，不是反复地运行这个块，而是其中的每个语句都必须对指标值集合里的所有元素执行一次，然后才转入下一个语句。

在FORALL结构里也可以引入过滤网，以排除掉不符合条件的计算。

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10.3IF结构和IF语句

一个IF结构至多选择结构里的一个语句与结构的块来得到执行。

而一个IF语句至多控制一个语句的执行。

在下章后面会简略讨论到的算术IF语句与这里的IF语句没有关系，算术IF语句是一种分支语句，并且是过时的。

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10.3.1IF结构

IF结构可以包含多个块与多个逻辑表达式，还可能包含ELSE语句与ELSEIF语句。

逻辑表达式总是放置在相应的块之前，因此IF结构的执行总是从逻辑表达式开始的，一旦逻辑表达式取真值，则相应的块获得执行，整个IF结构内至多只有一个块能够被选择执行，而如果没有ELSE语句的话，可能没有块满足执行的条件。

个人收集整理勿做商业用途一旦被选择执行的块运行完毕，或者不存在满足执行条件的块，则整个IF结构的运行被终止。

1.IF结构的形式

IF结构的句法形式（R802）为:

[if-construct-name：

]IF（scalar-logical-expression）THEN个人收集整理勿做商业用途

block

[ELSEIF（scalar-logical-expression）THEN[if-construct-name]个人收集整理勿做商业用途block]….

[ELSE[if-construct-name]

block]

ENDIF[if-construct-name]

IF结构的一般规则如下:

•至多只有一个结构里的块被执行，或者没有块被执行。

•ELSEIF语句不能跟随在ELSE语句后面。

•不能出现分支到ELSEIF语句或ELSE语句的情形。

•从IF结构里的任意块都可以分支到ENDIF语句，即随时可以退出IF结构。

•结构名称必须成对出现在IF-THEN语句和ENDIF语句当中。

•ELSEIF语句和ELSE语句里的结构名称是可选的，如果有的话，必须和IF-THEN语

句里的结构名称一致。

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•在同一个作用域单位内，同一个结构名称不能用于不同的命名结构。

2.IF结构的运行

结构里的逻辑表达式按照序列位置执行，直到某个表达式为真值，然后紧跟该表达式后面的块得到执行，该块运行完毕之后，整个IF结构即退出运行。

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在第一个真值表达式后面如果还存在真值表达式，则它们不影响对执行块的选择。

如果在该IF结构内（而不是它的子结构内）找不到真值表达式，则ELSE语句后面的块被执行；如果没有ELSE语句，则退出IF结构。

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下面的图10-1给出了IF结构的运行示意图。

【例10-2】

IF（I

X=Y*2.5

ELSEIF（I>8.3）THEN

X=0.0

Y=100

ELSE

X=100

Y=0.0

ENDIF

上例的执行顺序就是：

•首先执行I

•-THEN语句。

•进入ELSEIF-THEN语句后，首先执行I>8.3，如果为真，则执行X=0.0，Y=100；个人收集整理勿做商业用途

•如果为假，则执行紧跟后面的ELSE语句。

•进入ELSE语句后，执行X=100，Y=0.0。

•然后执行ENDIF语句，退出该IF结构。

10.3.2IF语句

一个IF语句用在只需要控制一个语句的场合。

1.IF语句的形式

IF语句的句法形式（R807）为;

IF（scalar-logical-expression）action-statement

【例10-3】

IF（X=0）Y=X+1

2.IF语句的运行

首先执行逻辑表达式，如果为真值，则执行IF语句里的作用语句（action-statement）;如

果为假，则退出该语句，执行程序里跟在IF语句后面的其他语句。

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注意作用语句（action-statement）不能是一个IF语句，也不能是一个END语句。

如果逻辑表达式包含一个函数引用，那么逻辑表达式的运行可能产生修改作用语句的副作用，这是允许的。

作用语句能够改变变量，或输入输出系统条件，或控制语句的状态，作用语句的例子包括赋值，WRITE，GOTO语句等;说明性语句，FORMAT语句，和ENTRY语句等不属于作用语句，而结构也不能看成是作用语句。

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10.4CASE结构

和IF结构类似的是，CASE结构也可以包含多个块，而最终能够获得执行的最多只能是一个。

和IF结构不同的是，CASE结构的选择是基于结构开头的SELECTCASE语句里的标量表达式的取值，这个取值被称为情况指标，它可以是离散型的各种标量值，例如整型，字

符型，逻辑型，而在IF结构里，用来进行判别而提供选择条件的是逻辑型取值，即只有.TURE.

和.FALSE.两个值。

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得到情况指标之后，搜索所有的CASE语句里的情况选择符的值，如果有与情况指标

匹配的，则执行相应的CASE语句里的块，否则执行具有默认选择符的CASE，如果不存在

具有默认选择符的CASE，则退出。

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使用CASE结构可以很自然地表达需要分情况考虑的问题，同时每种情况的定义必须是已知的。

【例10-4】设分段函数：

丄sin（x）x_0

y=

（cos（x）xc0

可以很自然地使用CASE结构描述如下：

SELECTCASE（x>=0）

CASE（.TRUE.）

Y=SIN（X）

CASE（.FALSE.）

Y=COS（X）

ENDSELECT

【例10-5】一年中十二个月的天数也可以用CASE结构表示如下：

MONTHDAY:

SELECTCASE（MONTH）

CASE

（2）

DAYS=28

CASE（4,6,9,11）

DAYS=30

CASE（1,3,5,7,8,10,12）

DAYS=31

ENDSELECTMONTHDAY

10.4.1CASE结构的形式

CASE结构的句法形式（R808）为：

[case-construct-name：

]SELECTCASE（case-expression）

[CASE（case-value-range-list）[case-construct-name]

block]…

[CASEDEFAULT[case-construct-name]

block]

ENDSELECT[case-construct-name]

其中的情况表达式（case-expression）为标量表达式，该表达式经过计算得到的取值为情况指标。

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其中的情况值范围（case-value-range）即连同其括号称为情况选择符，表示它的取值所属

的离散区间，也可以就是一个单独的值，它的句法形式（R814）为：

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case-valuecase-value：

：

case-value

case-value：

case-value

即如果是区间的话，该区间可以是半边开的。

其中的情况值（case-value）是一个标量初始化表达式，与情况表达式的类型等属性一样。

所谓初始化表达式即在编译时可以取值的表达式，本质上即常量表达式。

它们的取值都只能是整型，字符型和逻辑型。

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可以看到在CASE结构里，包含了三种语句：

•SELECTCASE语句；

•CASE语句；

•ENDSELECT语句。

而在CASE语句当中，跟在关键词CASE后面的（case-value-range-list）或DEFAULT就

是情况选择符。

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CASE结构的一般规则如下：

•如果CASE结构具有名称的话，那么结构名称必须成对出现在SELECTCASE语句和ENDSELECT语句当中。

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•情况选择符后面如果出现结构名称的话，必须与SELECTCASE语句当中的结构名称一致。

•具有情况选择符DEFAULT的CASE语句是可选的，如果它出现在结构当中的话，

上述CASE结构的句法形式并没有要求它放置在结构的最后。

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•在一个CASE结构里，情况表达式与所有的情况值都必须属于同一个类型，如果属

于字符型，它们可以具有不同的长度，但是种别参数必须一致。

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•情况值范围里面出现冒号时，表示一个区间，而区间的构成隐含着相应的关系表达式。

•情况值不能是逻辑型。

•如果是字符型的话，则依据字符型的关系运算规则确定相应的取值范围。

【例10-6】

CASE（“ABOUT”：

“Z”）

里面的情况值范围为按照与处理器相关的默认字符类型的关系运算，在ABOUT与Z

之间的所有字符串。

结构当中的表达式的取值完成后，必须保证最多只能有一个情况选择符的值与情况指标

值匹配，也即不允许在不同的情况之间情况值出现重复的情形。

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情况值DEFAULT与任何跟所有结构内的其他情况值都不匹配的情况指标值匹配。

【例10-7】

CALCU_AREA:

SELECTCASE（OBJECT）

CASE（RECTANGLE）CALCU_AREA

AREA=LENGTH*WIDTH

CASE（SQUARE）CALCU_AREA

AREA=SIDE*SIDE

CASE（CIRCLE）CALCU_AREA

AREA=PI*RADIUS**2

ENDSELECTCALCU_AREA

1042CASE结构的运行

首先计算SELECTCASE语句当中的作为标量表达式的情况指标，它的值最多与结构里的一个情况值匹配，与之匹配的情况值后面紧跟的块得到执行，然后退出结构。

程序进入紧跟该结构的ENDSELECT语句后面的可执行语句或结构。

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如果没有与情况指标值匹配的情况值，而结构里包含了CASEDEFAULT语句，按照

DEFAULT的定义，情况值这时必定与之匹配，因此执行该语句后面的块，然后退出该结构。

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如果结构当中不存在CASEDEFAULT语句，又没有与情况指标值匹配的情况值，那么

退出该结构，不执行结构里的任何块。

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所谓情况指标值与结构里的一个情况值匹配，包含如下情形：

•如果情况值为单独的一个值，则运用等价与非等价关系运算，看是否与指标值等价；

•如果情况值是一个区间，则按照下表10-1的定义：

表10-1不同情况值的匹配

情况值范围

匹配的定义

case-value1:

case-value2

case-value1.LE.case-index.LE.case-value2

case-value:

case-value.LE.case-index

:

case-value

case-value.GE.case-index

注意不同CASE语句的情况值范围不能有重叠。

结构的执行最多只允许其中的一个块被执行。

只能从结构内部分支到该结构的ENDSELECT语句。

不允许分支到CASE语句，但可以分支到SELECTCASE语句。

下面的图10-2给出了CASE结构的运行流的示意图：

图10-2CASE结构的运行流示意图:

【例10-8】

INDEX=2

SELECTCASE（INDEX）

CASE

（1）

A=（1,2）

CASE

（2）

A=（2,3）

CASEDEFAULT

A=（0，0）

ENDSELECT

例10-9】下面的例子描述了一个交通规则

COLOR=“GREEN”

SELECTCASE（COLOR）

CASE（“RED”）

STOP

CASE（“YELLOW”）

CALLSTOP_IF_YOU_CAN_SAFELY

CASE（“GREEN”）

CALLGO_AHEAD

ENDSELECT