Отличия языков C и Fortran

Разработка системной поддержки вызова программ,реализованных на языке Fortran, из среды Java.

С.С. Гайсарян, К.Н. Долгова, Труды Института системного программирования РАН

Статья посвящена исследованию возможности вызова программ, реализованных на языке Fortran 95, из среды Java. Для того, чтобы среды могли обмениваться данными, должно быть отображение данных одной среды на данные другой. В статье представлено описание отображения данных языка Fortran на данные языка Java и обратно. Также описан способ эффективной передачи данных из среды Java в среду Fortran и обратно. Он заключается в том, что память, выделенная средой Fortran для размещения общих блоков и массивов, отождествляется с прямыми буферами среды Java. То есть прямые буферы среды Java размещаются по тем же адресам памяти, по которым размещены общие блоки и массивы языка Fortran. Помимо этого, в статье описан метод организации вызова подпрограмм, реализованных на языке Fortran из окружения Java, заключающийся в передаче параметров через прямые буферы окружения Java.

Введение

Имеется достаточно большое количество программ, реализованных на языке Fortran и не потерявших ценность. В настоящее время широкую популярность получила среда программирования Java, обеспечивающая переносимость программ. Следовательно, возникает потребность иметь возможность вызывать подпрограммы, реализованные на языках Fortran, из Java-программ.

Для вызова подпрограмм, реализованных на языке С из Java программ есть JNI, который доступен, начиная с версии JDK 1.2. Аналогичного интерфейса для вызова Fortran-подпрограмм нет. Предложенная работа повещена разработке методики вызова Fortran-подпрограмм из Java-среды.

В настоящей работе рассмотрены основные отличия языков С и Fortran, препятствующие использованию методики, аналогичной JNI для вызова Fortran-подпрограмм из Java-программ. Построено отображение данных языка Fortran на данные Java и обратно. Предложена методика реализации общей области памяти для Java- и Fortran-сред через прямые буферы пакета java.nio. В последнем разделе описана прототипная реализация, выполненная с использованием JNI, которая показала эффективность предложенной методики.

Отличия языков C и Fortran

У языков программирования C и Fortran существует ряд различий, из-за которых нельзя перенести организацию JNI для языка С на организацию подобного интерфейса для языка Fortran.

В стандарте языка С напрямую не указан размер примитивных типов [1]. Выбор наилучшего для данной архитектуры размера типов оставлен на рассмотрение разработчиков компилятора. В стандарте языка Fortran для каждого примитивного типа данных строго задан их размер. Это позволяет установить взаимно однозначное соответствие между типами языка Java и типами языка Fortran, не используя промежуточных типов, как это реализовано в JNI.

Среда Fortran размещает данные в статической области памяти программы. К данным есть доступ только по ссылке, и нет возможности получить адрес памяти, где они расположены. Среда Fortran не поддерживает динамически создаваемых объектов данных. Среда C, во-первых, располагает данные программы в стеке, в куче и в статической области памяти программы, во-вторых, определена операция взятия адреса, позволяющие получить доступ не только к значениям данных, но и к адресам памяти, где они расположены. Соответственно, для передачи данных из Java среды в C среду JNI достаточно указать адрес области памяти, где данные хранятся. Передачу данных из Java среды в Fortran среду нельзя выполнить аналогично тому, как это сделано в JNI.

Все параметры в языке Fortran передаются только по ссылке, потому что в нем не определено понятие адреса переменной. В языке С параметры передаются только по значению, однако есть возможность передавать в качестве параметра функции указатели на ту область памяти, где хранится переменная. Соответственно, передачу данных из среды Java в среду Fortran и обратно нельзя выполнить аналогично тому, как это сделано в JNI.

В многомерных массивах языка С данные располагаются по строкам, тогда как в многомерных массивах языка Fortran данные располагаются по столбцам. В языке Fortran есть возможность непосредственно работать с частями массива - вырезками и сечениями. В языке С такой возможности нет. Следовательно, методика передачи массивов, реализованная в JNI, не может быть применена для среды Fortran.

В языке Fortran есть общие блоки COMMON. Эти блоки можно размечать по-разному в каждой подпрограмме. Так, например, в одной подпрограмме может быть объявлен массив типа complex размера 100, расположенный в общем блоке /A/, а в другой подпрограмме на этой же памяти, то есть в том же общем блоке /A/, может быть объявлен массив типа real размера 200. Оба массива будут размещаться в памяти, начиная с одного и того же виртуального адреса, данные, которые в нем расположены - одни и те же, однако тип данных разный. В языке С аналогичная возможность может быть реализована посредством использования объявления union. Однако передача данных, расположенных в COMMON блоках, с целью повышения эффективности должна выполняться по схеме, отличной от той, которая реализована в JNI. Однако передача данных, расположенных в COMMON блоках с целью эффективности должна выполняться по схеме, отличной той, которая реализована в JNI для передачи данных, объявленных в union.

Учитывая то, что в реализации связывания подпрограмм, написанных на языке Fortran, с Java окружением должна быть сделана эффективная передача данных между Fortran-подпрограммами и основным Java-модулем, а так же принимая во внимание отличия языков С и Fortran, можно сделать вывод о том, что организация связывания между виртуальной машиной Java и подпрограммами, реализованными на языке Fortran, должна осуществляться по несколько иной схеме, нежели связывание C-методов и виртуальной машины Java.