COMENZAR A PROGRAMAR EN FORTRANx

MASTER EN INGENIERÍA DEL HORMIGÓN
MODELOS PREDICTIVOS Y DE OPTIMIZACIÓN
DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN
Profesores: Víctor Yepes Piqueras, Julián Alcalá González
PROGRAMACIÓN DE UN GENERADOR DE LISTAS
DE NÚMEROS ALEATORIOS
1
Introducción
Como ejercicio previo para familiarizarse con el manejo del FORTRAN 95, del entorno
Plato IDE, y del compilador FTN95, se va a describir el proceso para hacer un pequeño
programa capaz de generar aleatoriamente una lista de números al azar, y de escribirlos en un
archivo.
Para hacer este ejercicio se requiere haber instalado el compilador FTN95 de
Silverfrost, y el entorno de desarrollo Plato IDE. Esta instalación se describe en otro
documento.
2
Crear el proyecto
Se abre el programa Plato IDE, apareciendo la ventana siguiente:
Los programas de FORTRAN se escriben en archivos que son ASCII, es decir, son
archivos que se pueden editar con cualquier editor de textos (el “bloc de notas” de Windows,
por ejemplo). Para ser identificados como códigos fuente de FORTRAN, y facilitar su
manipulación por los compiladores, estos archivos suelen manejar extensiones como .ftn, .f90
o .f95. Un programa de FORTRAN debe estar escrito en un archivo de este tipo.
Puede suceder que el programa utilice subrutinas o funciones, que son pequeños
programas subordinados a un programa principal. Estas subrutinas y funciones pueden estar
escritas en archivos diferentes al que contiene el programa principal. El compilador se encarga
de unir los archivos cuando genera el programa ejecutable (el .exe).
Por eso, los programas se desarrollan en los denominados proyectos (project), que
aglutinan todos los archivos y librerías que se han utilizado en el programa. El primer paso para
escribir un programa es entonces crear un nuevo proyecto. Para ello se pincha en el menú
superior: File > New Project. Aparece el siguiente cuadro:
-
En el apartado Project Type debe seleccionarse una aplicación FORTRAN (marcar
FORTRAN application).
-
En el campo Name, indicar un nombre. En este caso, puede ser: harvest, el
nombre del programa que vamos a crear, pero no tiene porqué coincidir.
-
En Location, hay que determinar una ubicación para el programa. Por ello, es
conveniente haber creado previamente (puede hacerse ahora) una carpeta donde
deseemos guardar el programa:
Al aceptar, aparece un cuadro a la derecha de la pantalla. Es el Project Explorer, que si
no aparece automáticamente puede activarse manualmente desde el menú seleccionando:
View > Proyect Explorer
El Project Explorer muestra el contenido del proyecto. Éste está formado por tres
elementos: las carpetas Source files e Include files, y la de References.
Las siguientes veces que vayamos a trabajar con este proyecto no habrá que crearlo,
obviamente. Se abre bien desde el menú: Files > Open Project, o mejor Files > Recent
Projects lo que abre una lista de los proyectos recientes con los que hemos trabajado,
evitando tener que buscar la ruta en el disco duro.
Los proyectos no se guardan manualmente nunca. Cada vez que el programa se
compila, o cuando se cierra el Plato IDE, el contenido del proyecto es actualizado en el disco
duro. Los archivos que formen parte del proyecto sí hay que guardarlos manualmente, como
veremos más adelante.
3
Crear el archivo .f95
Ahora podemos empezar a hacer el programa dentro del proyecto. Para ello vamos a
crear un archivo dentro del proyecto. En el Project Explorer se pincha sobre el proyecto, y con
el botón secundario del ratón se nos muestra un menú desplegable:
Debemos pulsar la opción: Add New Item, porque el archivo en el que vamos a
empezar a programar no existe. Si existiese, habría que seleccionar la opción: Add Existing
Items. Al pulsar aquella aparece el cuadro:
Se selecciona la opción Free format FORTRAN file, se teclea un nombre, que puede ser
el nombre del programa que se va a crear (aunque puede ser cualquier otro), y si se desea se
especifica una ubicación diferente a la del proyecto, pero esto no es recomendable en
principio. Al pulsar el cuadro Open aparecerá el archivo en blanco:
Ahora puede comenzar a escribir el programa.
4
Escribir el programa
A continuación se va a escribir el código fuente del programa. Todo lo que se indica a
continuación debe ir quedando anotado en el archivo harvest.f95, que es el que está
activo en la pantalla del Plato ID.
Cualquier programa de FORTRAN debe comenzar con la palabra program, seguida del
nombre del programa la palabra program es un comando de FORTRAN (indica que comienza
un programa), y como tal, se escribe literalmente. Escriba, pues la primera línea del siguiente
modo:
program harvest
Al hacerlo, observe que el editor utiliza diferentes fuentes a medida que va
escribiendo. Por defecto, los comandos aparecen en letra normal y color negro. Si al terminar
de escribir no toma ese formato es porque estará mal tecleado.
El lenguaje FORTRAN no distingue mayúsculas o minúsculas, esto es, da igual escribir:
program harvest, que Program Harvest, que PROGRAM HARVEST, o incluso que
pRoGrAm HaRvEsT. Es decir, las mayúsculas o minúsculas son potestativas.
Los programas de FORTRAN deben terminar con el comando end program, seguido
del nombre. Vaya unas líneas hacia abajo y teclee el comando final:
end program harvest
Todo el programa (excepto las subrutinas y funciones) debe quedar contenido entre
esas dos líneas de código.
Tras el inicio del programa debe efectuarse la declaración de variables. Una variable es
una posición de memoria en la que se almacenará un dato. Va identificada por un nombre, y
aunque hay ciertas excepciones, cualquier palabra que contenga letras, números y la mayoría
de signos tipográficos es correcta. Algunas excepciones son que no pueden tener espacios
(sería más de una variable), y no pueden tomar el nombre de comandos, evidentemente.
Existe la posibilidad de utilizar variables de diferentes tipos, y cuando la variable se
declara, se define su tipo. Una vez declarada, la variable no puede modificar su tipo. Las que
vamos a emplear habitualmente son: lógicas, números enteros, números reales y caracteres
alfanuméricos (letras). Las variables lógicas son un tipo especial de variable que puede tomar
dos valores únicamente: true o false. Además todas ellas pueden ser bien variables
sencillas, o bien vectores o matrices de dos o más dimensiones.
El programa que vamos a escribir operará del modo siguiente: se establecerá de
antemano el número de valores aleatorios que se quiere generar. Se generarán tantos
números aleatorios como se haya determinado en el paso anterior, pero a medida que
aparecen esos valores se “escribirán” en un archivo al que podremos acceder posteriormente.
Para operar de ese modo, el programa necesita definir al menos dos variables: una que
contenga el valor aleatorio generado en cada paso, y otra para contar el número de valores
que se van generando. Supongamos que denominamos ran a la primera, e i al contador. El
comando que genera los números aleatorios proporciona un número real comprendido entre
el 0,0 y el 1,0. Por eso, la variable ran debe ser definida como real. Para ello se escribe la
instrucción siguiente en la segunda línea del editor:
real ran
El contador debe ser un número entero. Para definirlo escribimos a continuación la
instrucción siguiente:
integer i
En la práctica el manejo de variables es diferente, porque es difícil prever de antemano
cuantas y qué tipo de variables van a ser necesarias. A medida que se va desarrollando el
programa se van estableciendo las variables, y se procede a su definición.
El paso siguiente es “abrir” el archivo en el que vamos a escribir la lista de números.
Cuando pretendemos que un programa de FORTRAN escriba datos en un archivo, o que los lea
de un archivo existente, es necesario indicar cuál es ese archivo, como se llama, donde se
ubica y lo que se va a hacer con él. Eso es así en cualquier programa de ordenador, y no solo
en FORTRAN.
La línea que debe teclearse ahora es la siguiente:
open (UNIT=1,FILE="datos.txt", ACTION="write")
De este modo se ha abierto el archivo denominado datos.txt asignándole el
número de unidad 1, para escribir en él (ACTION=”write”). No podrán abrirse otros archivos
ahora en la unidad 1 hasta que éste no se cierre, pero podrían abrirse archivos en las unidades
2, 3, etc. La unidad * es la pantalla del ordenador. Lo que se escribe en la unidad * aparecerá
en la pantalla del ordenador.
El nombre y extensión del archivo (datos.txt) es potestativo, aunque es muy
práctico darle la extensión .txt, porque el sistema operativo identificará al archivo como de
texto, y lo vinculará con el editor de textos de nuestro ordenador (típicamente el Bloc de
Notas), lo que facilitará su apertura posteriormente.
El archivo debe cerrarse antes de finalizar el programa. Para ello basta con escribir,
inmediatamente antes del final, la instrucción:
close (1)
Entre la orden de apertura y la ce cierre el archivo permanece abierto, y será posible
escribir en él.
El siguiente paso es generar los números aleatorios y escribirlos en el archivo. En
primer lugar, se define un valor obtenido aleatoriamente, y se almacena en la variable ran.
Esto se consigue con la instrucción siguiente:
call random_number(ran)
El comando call ejecuta una subrutina, en este caso denominada random_number
que en este caso esta programada en las librerías del compilador. Normalmente las subrutinas
las haremos nosotros, pero en este caso no es así. Esta subrutina genera un número aleatorio y
lo asigna a la variable del argumento (variable cuyo nombre se pone en el paréntesis). Este
número está siempre dentro del intervalo 0,0 – 1,0, como se dijo anteriormente. La línea de
código anterior hará que el ordenador genere un número aleatorio cuyo valor será asignado a
la variable ran.
EL paso siguiente es escribir el valor de la variable var en el archivo mediante la
instrucción write, que escribimos a continuación de la anterior:
write (1,*) ran
Con ello se está diciendo al ordenador que el valor que tenga la variable ran debe ser
escrito en la unidad 1, que es el número de unidad del archivo datos.txt.
Pero claro, escrito así el programa lo va a hacer una sola vez, y nuestro propósito es
que lo haga varias veces de forma consecutiva. Este tipo de procesos repetitivos que se
ejecutan en sucesivas iteraciones se programan con los denominados bucles. Hay otras formas
de definir bucles en FORTRAN, pero la más inmediata sería del modo siguiente:
do i=1,1500
call random_number(ran)
write (1,*) ran
end do
Así escrita se van a generar 1500 números aleatorios de forma consecutiva que se irán
escribiendo en el archivo.
Con todo ello, el programa completo, una vez ordenado para darle más claridad,
queda como sigue:
La cantidad de números a generar y escribir se controla por el límite del bucle. Si
quiere más números solo tiene que cambiar la cifra de 1500 por la cantidad que desee.
5
Ejecución del programa
Para ejecutar el programa éste debe ser compilado (build). Hay tres formas de hacerlo:
5.1
-
Desde el propio entorno Plato IDE.
-
En modo interrupcción.
-
Ejecutando manualmente el programa.
Ejecución desde el propio entorno.
Este modo de ejecución es el típico cuando se está programando para verificar el
funcionamiento del programa que estamos escribiendo.
Se selecciona la opción Start Run en el Menú: Build > Start Run. También con la
opción Start ( ) en la barra de herramientas. Esta barra suele estar activa por defecto, pero si
no lo está puede activarse desde el menú en caso necesario (View > View Toolbar):
Primero aparece un mensaje como el siguiente, que dura unos segundos (en las
versiones con licencia normal este mensaje no aparece):
Y a continuación se ejecuta el compilador y el nuestro programa. En la parte inferior de
la pantalla hay un espacio denominado Output en el que se nos muestra información relativa
al proceso de compilación, advertencias o errores en su caso.
La ejecución del programa, al ser una aplicación de consola, y no una aplicación
“visual”, se hace a través de la ventana del sistema. Cuando el programa termina se muestra el
mensaje:
Pulsando RETURN el programa ha terminado. Si se accede a la carpeta donde se
almacena el proyecto se verá el archivo datos.txt, que se puede abrir.
5.2
Ejecución en modo interrupción.
Cuando el programa se ha ejecutado puede verse el resultado de la ejecución, pero
cuando se está programando se necesita verificar que los comandos, el resultado de
operaciones, el valor de las variables, etc., se ejecutan de un modo correcto.
El entorno Plato IDE permite una ejecución a través del depurador (debugger), en la
que es posible, entre oras cosas, detener el programa en puntos de parada, ejecutar el
programa línea a línea o visualizar el valor de las variables. Esta información es de gran utilidad
para detectar anomalías en el funcionamiento de un programa.
Se selecciona la opción Start Run en el menú: Build > Step Intro. También con la
opción Continue debugging ( ) de la barra de herramientas.
Este modo de ejecución se muestra en el depurador. Cuando se ejecuta éste se
muestra en una ventana como la siguiente:
Tras unos segundos aparece un mensaje avisando de que se está preparando el
depurador, tras el cual se muestra el código preparado para su ejecución.
Una vez preparado, puede ejecutarse el algoritmo línea a línea (tecla F8), introducir un
punto de parada en una línea del código (tecla F2) y ejecutar hasta ella o hasta el final (tecla
F6).
Veamos un ejemplo. Una vez cargado el programa harvest en el depurador, en la
ventana donde se muestra el código sitúe el cursor en la línea donde se abre el archivo de
resultados, y pulse F2. La línea tomará este aspecto:
Ahora se selecciona en el menú Run > Restart Program. Al hacerlo se reinicial el
programa. Pulse Restart en la ventana que aparece:
y sucederá que el programa se ejecuta hasta la línea donde hemos puesto el punto de
parada. Ahora ésta quedará señalada en rojo, lo que indica que se ha interrumpido la
ejecución en ese punto. A partir de ahora, cada vez que pulse F8 se ejecuta una línea de
código. Hágalo, y observará como se inicial el bucle, se genera al número aleatorio, se escribe
en el archivo, se vuelve al principio del bucle, etc.
Si ahora pulsa F6 la ejecución vuelve a ser automática hasta que se encuentre otro
punto de parada, o hasta que termine el programa.
Simultáneamente a la ejecución se puede chequear el valor de las variables,
comprobar las unidades abiertas o cerradas, etc.
Cuando termine, puede salir del depurador simplemente cerrando la ventana.
5.3
Ejecutando manualmente el programa.
Al compilar el programa se habrá creado un archivo ejecutable, en este caso llamado
harvest.exe, en la carpeta *\CheckMate\Win32 que estará grbado donde se haya
almacenado el proyecto. Para compilar el programa sin ejecutarlo se selecciona la opción Build
en el menú: Build > Build. También esta disponible la opción en la barra de herramientas
Build ( ).
Para demostrar su funcionamiento podemos copiarlo a la ubicación que deseemos, y si
se pulsa dos veces sobre él se ejecutará. Aparece entonces la ventana de ejecución (la negra),
y el aviso de Silverfrost. A continuación el programa se ejecuta. Al finalizar la ventana
desaparece (a menos que se haya producido algún error):
En la ubicación en la que hayamos ejecutado el programa harvest.exe aparecerá
ahora el archivo datos.txt.
Pruebe a copiar el archivo a su escritorio y ejecutarlo para verificar su funcionamiento.
NOTA FINAL: Observe que todas las veces que se ejecuta el programa, el archivo
genera data.txt los mismos números. El porqué esto es así y como evitarlo se tratará en
clase.