[XCOFF] make related SD symbols as isFunction (#69553)
[llvm-project.git] / flang / docs / FortranForCProgrammers.md
blob50c83ed7e9bfe2e9997da06bfd1997b0d3c23e3d
1 <!--===- docs/FortranForCProgrammers.md
3    Part of the LLVM Project, under the Apache License v2.0 with LLVM Exceptions.
4    See https://llvm.org/LICENSE.txt for license information.
5    SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 WITH LLVM-exception
7 -->
9 # Fortran For C Programmers
11 ```{contents}
12 ---
13 local:
14 ---
15 ```
17 This note is limited to essential information about Fortran so that
18 a C or C++ programmer can get started more quickly with the language,
19 at least as a reader, and avoid some common pitfalls when starting
20 to write or modify Fortran code.
21 Please see other sources to learn about Fortran's rich history,
22 current applications, and modern best practices in new code.
24 ## Know This At Least
26 * There have been many implementations of Fortran, often from competing
27   vendors, and the standard language has been defined by U.S. and
28   international standards organizations.  The various editions of
29   the standard are known as the '66, '77, '90, '95, 2003, 2008, and
30   (now) 2018 standards.
31 * Forward compatibility is important.  Fortran has outlasted many
32   generations of computer systems hardware and software.  Standard
33   compliance notwithstanding, Fortran programmers generally expect that
34   code that has compiled successfully in the past will continue to
35   compile and work indefinitely.  The standards sometimes designate
36   features as being deprecated, obsolescent, or even deleted, but that
37   can be read only as discouraging their use in new code -- they'll
38   probably always work in any serious implementation.
39 * Fortran has two source forms, which are typically distinguished by
40   filename suffixes.  `foo.f` is old-style "fixed-form" source, and
41   `foo.f90` is new-style "free-form" source.  All language features
42   are available in both source forms.  Neither form has reserved words
43   in the sense that C does.  Spaces are not required between tokens
44   in fixed form, and case is not significant in either form.
45 * Variable declarations are optional by default.  Variables whose
46   names begin with the letters `I` through `N` are implicitly
47   `INTEGER`, and others are implicitly `REAL`.  These implicit typing
48   rules can be changed in the source.
49 * Fortran uses parentheses in both array references and function calls.
50   All arrays must be declared as such; other names followed by parenthesized
51   expressions are assumed to be function calls.
52 * Fortran has a _lot_ of built-in "intrinsic" functions.  They are always
53   available without a need to declare or import them.  Their names reflect
54   the implicit typing rules, so you will encounter names that have been
55   modified so that they have the right type (e.g., `AIMAG` has a leading `A`
56   so that it's `REAL` rather than `INTEGER`).
57 * The modern language has means for declaring types, data, and subprogram
58   interfaces in compiled "modules", as well as legacy mechanisms for
59   sharing data and interconnecting subprograms.
61 ## A Rosetta Stone
63 Fortran's language standard and other documentation uses some terminology
64 in particular ways that might be unfamiliar.
66 | Fortran | English |
67 | ------- | ------- |
68 | Association | Making a name refer to something else |
69 | Assumed | Some attribute of an argument or interface that is not known until a call is made |
70 | Companion processor | A C compiler |
71 | Component | Class member |
72 | Deferred | Some attribute of a variable that is not known until an allocation or assignment |
73 | Derived type | C++ class |
74 | Dummy argument | C++ reference argument |
75 | Final procedure | C++ destructor |
76 | Generic | Overloaded function, resolved by actual arguments |
77 | Host procedure | The subprogram that contains a nested one |
78 | Implied DO | There's a loop inside a statement |
79 | Interface | Prototype |
80 | Internal I/O | `sscanf` and `snprintf` |
81 | Intrinsic | Built-in type or function |
82 | Polymorphic | Dynamically typed |
83 | Processor | Fortran compiler |
84 | Rank | Number of dimensions that an array has |
85 | `SAVE` attribute | Statically allocated |
86 | Type-bound procedure | Kind of a C++ member function but not really |
87 | Unformatted | Raw binary |
89 ## Data Types
91 There are five built-in ("intrinsic") types: `INTEGER`, `REAL`, `COMPLEX`,
92 `LOGICAL`, and `CHARACTER`.
93 They are parameterized with "kind" values, which should be treated as
94 non-portable integer codes, although in practice today these are the
95 byte sizes of the data.
96 (For `COMPLEX`, the kind type parameter value is the byte size of one of the
97 two `REAL` components, or half of the total size.)
98 The legacy `DOUBLE PRECISION` intrinsic type is an alias for a kind of `REAL`
99 that should be more precise, and bigger, than the default `REAL`.
101 `COMPLEX` is a simple structure that comprises two `REAL` components.
103 `CHARACTER` data also have length, which may or may not be known at compilation
104 time.
105 `CHARACTER` variables are fixed-length strings and they get padded out
106 with space characters when not completely assigned.
108 User-defined ("derived") data types can be synthesized from the intrinsic
109 types and from previously-defined user types, much like a C `struct`.
110 Derived types can be parameterized with integer values that either have
111 to be constant at compilation time ("kind" parameters) or deferred to
112 execution ("len" parameters).
114 Derived types can inherit ("extend") from at most one other derived type.
115 They can have user-defined destructors (`FINAL` procedures).
116 They can specify default initial values for their components.
117 With some work, one can also specify a general constructor function,
118 since Fortran allows a generic interface to have the same name as that
119 of a derived type.
121 Last, there are "typeless" binary constants that can be used in a few
122 situations, like static data initialization or immediate conversion,
123 where type is not necessary.
125 ## Arrays
127 Arrays are not types in Fortran.
128 Being an array is a property of an object or function, not of a type.
129 Unlike C, one cannot have an array of arrays or an array of pointers,
130 although can can have an array of a derived type that has arrays or
131 pointers as components.
132 Arrays are multidimensional, and the number of dimensions is called
133 the _rank_ of the array.
134 In storage, arrays are stored such that the last subscript has the
135 largest stride in memory, e.g. A(1,1) is followed by A(2,1), not A(1,2).
136 And yes, the default lower bound on each dimension is 1, not 0.
138 Expressions can manipulate arrays as multidimensional values, and
139 the compiler will create the necessary loops.
141 ## Allocatables
143 Modern Fortran programs use `ALLOCATABLE` data extensively.
144 Such variables and derived type components are allocated dynamically.
145 They are automatically deallocated when they go out of scope, much
146 like C++'s `std::vector<>` class template instances are.
147 The array bounds, derived type `LEN` parameters, and even the
148 type of an allocatable can all be deferred to run time.
149 (If you really want to learn all about modern Fortran, I suggest
150 that you study everything that can be done with `ALLOCATABLE` data,
151 and follow up all the references that are made in the documentation
152 from the description of `ALLOCATABLE` to other topics; it's a feature
153 that interacts with much of the rest of the language.)
155 ## I/O
157 Fortran's input/output features are built into the syntax of the language,
158 rather than being defined by library interfaces as in C and C++.
159 There are means for raw binary I/O and for "formatted" transfers to
160 character representations.
161 There are means for random-access I/O using fixed-size records as well as for
162 sequential I/O.
163 One can scan data from or format data into `CHARACTER` variables via
164 "internal" formatted I/O.
165 I/O from and to files uses a scheme of integer "unit" numbers that is
166 similar to the open file descriptors of UNIX; i.e., one opens a file
167 and assigns it a unit number, then uses that unit number in subsequent
168 `READ` and `WRITE` statements.
170 Formatted I/O relies on format specifications to map values to fields of
171 characters, similar to the format strings used with C's `printf` family
172 of standard library functions.
173 These format specifications can appear in `FORMAT` statements and
174 be referenced by their labels, in character literals directly in I/O
175 statements, or in character variables.
177 One can also use compiler-generated formatting in "list-directed" I/O,
178 in which the compiler derives reasonable default formats based on
179 data types.
181 ## Subprograms
183 Fortran has both `FUNCTION` and `SUBROUTINE` subprograms.
184 They share the same name space, but functions cannot be called as
185 subroutines or vice versa.
186 Subroutines are called with the `CALL` statement, while functions are
187 invoked with function references in expressions.
189 There is one level of subprogram nesting.
190 A function, subroutine, or main program can have functions and subroutines
191 nested within it, but these "internal" procedures cannot themselves have
192 their own internal procedures.
193 As is the case with C++ lambda expressions, internal procedures can
194 reference names from their host subprograms.
196 ## Modules
198 Modern Fortran has good support for separate compilation and namespace
199 management.
200 The *module* is the basic unit of compilation, although independent
201 subprograms still exist, of course, as well as the main program.
202 Modules define types, constants, interfaces, and nested
203 subprograms.
205 Objects from a module are made available for use in other compilation
206 units via the `USE` statement, which has options for limiting the objects
207 that are made available as well as for renaming them.
208 All references to objects in modules are done with direct names or
209 aliases that have been added to the local scope, as Fortran has no means
210 of qualifying references with module names.
212 ## Arguments
214 Functions and subroutines have "dummy" arguments that are dynamically
215 associated with actual arguments during calls.
216 Essentially, all argument passing in Fortran is by reference, not value.
217 One may restrict access to argument data by declaring that dummy
218 arguments have `INTENT(IN)`, but that corresponds to the use of
219 a `const` reference in C++ and does not imply that the data are
220 copied; use `VALUE` for that.
222 When it is not possible to pass a reference to an object, or a sparse
223 regular array section of an object, as an actual argument, Fortran
224 compilers must allocate temporary space to hold the actual argument
225 across the call.
226 This is always guaranteed to happen when an actual argument is enclosed
227 in parentheses.
229 The compiler is free to assume that any aliasing between dummy arguments
230 and other data is safe.
231 In other words, if some object can be written to under one name, it's
232 never going to be read or written using some other name in that same
233 scope.
235   SUBROUTINE FOO(X,Y,Z)
236   X = 3.14159
237   Y = 2.1828
238   Z = 2 * X ! CAN BE FOLDED AT COMPILE TIME
239   END
241 This is the opposite of the assumptions under which a C or C++ compiler must
242 labor when trying to optimize code with pointers.
244 ## Overloading
246 Fortran supports a form of overloading via its interface feature.
247 By default, an interface is a means for specifying prototypes for a
248 set of subroutines and functions.
249 But when an interface is named, that name becomes a *generic* name
250 for its specific subprograms, and calls via the generic name are
251 mapped at compile time to one of the specific subprograms based
252 on the types, kinds, and ranks of the actual arguments.
253 A similar feature can be used for generic type-bound procedures.
255 This feature can be used to overload the built-in operators and some
256 I/O statements, too.
258 ## Polymorphism
260 Fortran code can be written to accept data of some derived type or
261 any extension thereof using `CLASS`, deferring the actual type to
262 execution, rather than the usual `TYPE` syntax.
263 This is somewhat similar to the use of `virtual` functions in c++.
265 Fortran's `SELECT TYPE` construct is used to distinguish between
266 possible specific types dynamically, when necessary.  It's a
267 little like C++17's `std::visit()` on a discriminated union.
269 ## Pointers
271 Pointers are objects in Fortran, not data types.
272 Pointers can point to data, arrays, and subprograms.
273 A pointer can only point to data that has the `TARGET` attribute.
274 Outside of the pointer assignment statement (`P=>X`) and some intrinsic
275 functions and cases with pointer dummy arguments, pointers are implicitly
276 dereferenced, and the use of their name is a reference to the data to which
277 they point instead.
279 Unlike C, a pointer cannot point to a pointer *per se*, nor can they be
280 used to implement a level of indirection to the management structure of
281 an allocatable.
282 If you assign to a Fortran pointer to make it point at another pointer,
283 you are making the pointer point to the data (if any) to which the other
284 pointer points.
285 Similarly, if you assign to a Fortran pointer to make it point to an allocatable,
286 you are making the pointer point to the current content of the allocatable,
287 not to the metadata that manages the allocatable.
289 Unlike allocatables, pointers do not deallocate their data when they go
290 out of scope.
292 A legacy feature, "Cray pointers", implements dynamic base addressing of
293 one variable using an address stored in another.
295 ## Preprocessing
297 There is no standard preprocessing feature, but every real Fortran implementation
298 has some support for passing Fortran source code through a variant of
299 the standard C source preprocessor.
300 Since Fortran is very different from C at the lexical level (e.g., line
301 continuations, Hollerith literals, no reserved words, fixed form), using
302 a stock modern C preprocessor on Fortran source can be difficult.
303 Preprocessing behavior varies across implementations and one should not depend on
304 much portability.
305 Preprocessing is typically requested by the use of a capitalized filename
306 suffix (e.g., "foo.F90") or a compiler command line option.
307 (Since the F18 compiler always runs its built-in preprocessing stage,
308 no special option or filename suffix is required.)
310 ## "Object Oriented" Programming
312 Fortran doesn't have member functions (or subroutines) in the sense
313 that C++ does, in which a function has immediate access to the members
314 of a specific instance of a derived type.
315 But Fortran does have an analog to C++'s `this` via *type-bound
316 procedures*.
317 This is a means of binding a particular subprogram name to a derived
318 type, possibly with aliasing, in such a way that the subprogram can
319 be called as if it were a component of the type (e.g., `X%F(Y)`)
320 and receive the object to the left of the `%` as an additional actual argument,
321 exactly as if the call had been written `F(X,Y)`.
322 The object is passed as the first argument by default, but that can be
323 changed; indeed, the same specific subprogram can be used for multiple
324 type-bound procedures by choosing different dummy arguments to serve as
325 the passed object.
326 The equivalent of a `static` member function is also available by saying
327 that no argument is to be associated with the object via `NOPASS`.
329 There's a lot more that can be said about type-bound procedures (e.g., how they
330 support overloading) but this should be enough to get you started with
331 the most common usage.
333 ## Pitfalls
335 Variable initializers, e.g. `INTEGER :: J=123`, are _static_ initializers!
336 They imply that the variable is stored in static storage, not on the stack,
337 and the initialized value lasts only until the variable is assigned.
338 One must use an assignment statement to implement a dynamic initializer
339 that will apply to every fresh instance of the variable.
340 Be especially careful when using initializers in the newish `BLOCK` construct,
341 which perpetuates the interpretation as static data.
342 (Derived type component initializers, however, do work as expected.)
344 If you see an assignment to an array that's never been declared as such,
345 it's probably a definition of a *statement function*, which is like
346 a parameterized macro definition, e.g. `A(X)=SQRT(X)**3`.
347 In the original Fortran language, this was the only means for user
348 function definitions.
349 Today, of course, one should use an external or internal function instead.
351 Fortran expressions don't bind exactly like C's do.
352 Watch out for exponentiation with `**`, which of course C lacks; it
353 binds more tightly than negation does (e.g., `-2**2` is -4),
354 and it binds to the right, unlike what any other Fortran and most
355 C operators do; e.g., `2**2**3` is 256, not 64.
356 Logical values must be compared with special logical equivalence
357 relations (`.EQV.` and `.NEQV.`) rather than the usual equality
358 operators.
360 A Fortran compiler is allowed to short-circuit expression evaluation,
361 but not required to do so.
362 If one needs to protect a use of an `OPTIONAL` argument or possibly
363 disassociated pointer, use an `IF` statement, not a logical `.AND.`
364 operation.
365 In fact, Fortran can remove function calls from expressions if their
366 values are not required to determine the value of the expression's
367 result; e.g., if there is a `PRINT` statement in function `F`, it
368 may or may not be executed by the assignment statement `X=0*F()`.
369 (Well, it probably will be, in practice, but compilers always reserve
370 the right to optimize better.)
372 Unless they have an explicit suffix (`1.0_8`, `2.0_8`) or a `D`
373 exponent (`3.0D0`), real literal constants in Fortran have the
374 default `REAL` type -- *not* `double` as in the case in C and C++.
375 If you're not careful, you can lose precision at compilation time
376 from your constant values and never know it.