زبان برنامه نویسی فرترن

زبان برنامه نویسی در تعریفی ساده یک ساختار از دستورهاست که با استفاده از آن می توان الگوریتم ها را برای اجرا در کامپیوتر توصیف کرد و یا به عبارتی دیگر زبان برنامه نویسی به ما کمک می کند دستورها را به زبان ماشین و رایانه تبدیل کنیم و راه تعامل انسان و ماشین است. تاکنون صدها زبان برنامه نویسی در زمینه های متفاوت ایجاد شده اند که برخی عمر کوتاهی داشتند و برخی تا امروزه ماندگار شده اند. زبان برنامه نویسی فرترن بیش از 6 دهه است که در حوزه های متفاوت علوم از مهندسی های هوافضا و مکانیک گرفته تا علوم پایه مورد استفاده محققین بوده و به حل مسئله های پیچیده کمک کرده است.

نسل های زبان های برنامه نویسی

• نسل اول:  دقیقا زبان ماشین (همان زبان صفر و یک) است.
• نسل دوم: زبان ‌هایی مثل زبان اسمبلی که به نسبت نسل اول برای انسان قابل فهم ‌تر بودند.
• نسل سوم: زبان ‌هایی مثل کوبول که به کامپایلرها نیاز دارند.
• کامپایلر (compiler) یا مفسر، برنامه ای است که زبان برنامه نویسی را به زبان صفر و یک تبدیل می کند.
• نسل چهارم: زبان ‌هایی مثل SQL که تا حد خوبی به زبان محاوره‌ ای انسان نزدیک شدند.
• نسل پنجم: زبان‌ هایی مثل ویژوال بیسیک که با استفاده از الگوریتم‌ها کار می کنند و قابل درک هستند.

تاریخچه

در ابتدا زمانی که اولین زبان های برنامه نویسی در دهه 50 ایجاد شدند، اولین استفاده ها برای بحث های محاسباتی و آکادمیک بود. اولین نسخه فرترن هم به همان دوران برمی گردد که در حدود سال 1957 توسط شرکت آی بی ام IBM (International Business Machines Corporation) عرضه شد. البته از سال سال 1953 پیشنهاد یک زبان عملیاتی تر برای برنامه نویسی و بعنوان جایگزین زبان اسمبلی ارائه شد. پس از پیش نویس های اولیه تعداد عبارات برنامه نویسی تا حد زیادی کاهش یافت و توجه برنامه ‌نویسان را جلب کرد همچنین محققین ربان جدید را برای برنامه های‌فشرده عددی مناسب دیدند و بنظر می رسید ظرفیت این زبان برای داده‌های عددی بسیار پیچیده، آن را برای برنامه های فنی به‌خصوص در مهندسی برق مناسب نموده‌ است.

اکنون بیش از 60 است که در پیچیده ترین و پرحجم ترین مسائل مانند دینامیک سیالات عددی، تحلیل المان محدود، فیزیک محاسباتی، شیمی محاسباتی، زمین شناسی، پیش بینی آب و هوایی و ... مورد استفاده قرار می گیرد.

واژه ی فرترن از خلاصه عبارت FORmula TRANslation گرفته شده است، به همین دلیل تا سال ها این لغت با حروف بزرگ به صورت FORTRAN نوشته می شد. اما پس از نسخه FORTRAN77 این الزام برداشته شد و نام گذاری ها به شکل fortran90 ادامه پیدا کرد.

بیشترین کاربرد فرترن کجاست و چرا؟

همواره بیشترین استفاده هایی که از فرترن می شده بحث های شبیه سازی چه جامداتی و چه سیالاتی در علوم مهندسی و پردازش های های گسترده در علوم فیزیک و نجوم و.... بوده، در واقع FORTRAN زبان برنامه نویسی زبان سوپرکامپیوترها است و برای عملیات محاسبه و پیدا کردن روش هایی برای شبیه سازی است در نتیجه FORTRAN کاملا زبان برنامه نویسی مهندسی است و کسانی که به رشته های مهندسی علاقه مند هستند فارغ از اینکه چه در سطحی بخواهند در این حوزه فعالیت داشته باشند، نیاز دارند به یکی از زبان های پایه مانند فرترن آشنایی داشته باشند.  یکی از موضوعاتی که همواره مطرح می شود این است که با وجود زبان های نوینی مثل پایتون و ... چرا هنوز در دانشگاه ها FORTRAN ، C یا C++ تدریس می شود. پاسخ این است که ما در رشته های مهندسی، چون به محاسبات با سرعت بالا (محاسبات سریع) نیاز داریم، مجبور به استفاده از زبان های پایه هستیم.

البته بین زبان های پایه نیز مزایا و معایبی وجود دارد. به طور مثال در FORTRANنیازی به تعریف متغیرها نیست و یا اینکه زبان های C و C++ بیشتر برای برنامه نویسی های سیستم پدید آمده اند و فرترن بیشتر برای محاسبات عددی توسعه داده شده است. به همین دلیل در همه جهان هنوز فرترن یکی از زبان های پرکاربرد است و اگر پروژه ای قرار باشد صفر تا صد شبیه سازی شود، از FORTRAN استفاده می شود.  اما در کلیات در اکثر موارد یکسان هستند و در واقع مهم این است که علاقه مندان به بحث های شبیه سازی با یکی از زبان های پایه آشنا باشند. زیرا آشنایی با یکی از این زبان های برنامه نویسی بیس کمک میکند سایر زبان های این سطح را به راحتی یادبگیریم و همچنین این موضوع ورود به زبان های نوین مانند پایتون را آسان تر می کند. اما برعکس این روند غیر ممکن یا حدقل بسیار دشوار است. چون زبان های سطح بالا عموما اصلاح شده هستند و به زبان انسان بسیار نزدیک شده اند به همین دلیل پس از کار با آن ها نمی توانیم به زبان های پایه برگردیم.

همانطور که می دانیم روند شبیه سازی ها در اکثر زمینه ها به این صورت کلی است که ابتدا هندسه ایجاد می شود، بعد شبکه بعدی انجام می شود و سپس به کمک یک حلگر معادلات حل می شوند. در نرم افزارهای تجاری این پروسه با زدن کلیک ها و انتخاب گزینه ها انجام می شود و در واقع کاربر متوجه اینکه چه اتفاقی در حال طی شدن است، نمی شود. ولی برنامه نویسی با زبان هایی مانند فرترن به فرد کمک می کند به درک عمیق تری از مسائل و شبیه سازی ها برسد و فقط به کار اوپراتوری در نرم افزارها اکتفا نکند.

دلیل سرعت بالا

یکی از کلی ترین دسته بندی زبان های برنامه نویسی تقسیم آن ها به دو گروه compiled language و interpreted language است. گروه اول، compiled language زبان هایی هستند که مستقیما برنامه کاربر را به زبان ماشین ترجمه می کند. گروه دوم، interpreted language  زبان هایی هستند که به به کمک یک واسط یا مترجم به طور همزمان، کدها را به زبان ماشین تبدیل می کنند.

زبان هایی مثل فرترن که مستقیما کامپایل می شوند، از سرعت بیشتری برخوردار هستند، چون یکبار کل برنامه کامپایل می شود و بعد می شود برنامه را بارها اجرا کرد و نیاز به کامپایل مجدد نیست. اما دسته دوم، مثل متلب (MATLAB) برای هربار اجرا (RUN) شدن باید یکبار برنامه کامپایل شود پس سرعت را کاهش می دهد.

نسخه ها

آخرین نسخه از فرترن که عرضه شده، ورژن 2018 است. البته همه نسخه ها این قابلیت را دارند که کدهای نوشته شده در نسخه های قدیمی تر، در نسخه های جدید کامپال و اجرا می شود. نسخه رایجی در ایران قابل استفاده است معمولا نسخه 90-95 است که این شکل امروزی از مبنا و ساختاری که در این زبان هست نیز از همین نسخه ایجاد شد.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا گروه آموزشی پارس پژوهان