Python调用Fortran的三种形式

那么接下来我将会为大家详细讲解Python调用Fortran的三种形式。

1. 使用Fortran子程序库（Shared Library）

Fortran子程序库是编写Fortran程序时一种非常常用的形式，可以将Fortran代码编译为动态库（.so文件或.dll文件），并允许其他编程语言中的程序调用Fortran代码。Python可以使用ctypes库或CFFI库来调用Fortran子程序库。

示例1: 使用ctypes库调用Fortran子程序库

假设我们编写了一个Fortran子程序库，其中包含如下子程序：

subroutine add(a,b,result)
  implicit none
  integer, intent(in) :: a,b
  integer, intent(out) :: result
  result = a + b
end subroutine add

现在我们可以将这个子程序编译为动态库：

$ gfortran -shared -fPIC -o libadd.so add.f90

然后在Python中使用ctypes库调用这个Fortran子程序：

import ctypes

# 加载库
lib = ctypes.CDLL('./libadd.so')

# 定义Fortran子程序的类型
lib.add.argtypes = [ctypes.c_int, ctypes.c_int,ctypes.POINTER(ctypes.c_int)]
lib.add.restype = None

# 调用子程序
a = 1
b = 2
result = ctypes.c_int()
lib.add(a, b, ctypes.byref(result))
print(result.value) # 输出3

示例2: 使用CFFI库调用Fortran子程序库

CFFI是用于扩展Python的一个库，它使Python程序能够加载和调用Fortran子程序。以下是使用CFFI库调用Fortran子程序库的示例：

假设我们编写了一个Fortran子程序库，其中包含如下子程序：

subroutine add(a,b,result)
  implicit none
  integer, intent(in) :: a,b
  integer, intent(out) :: result
  result = a + b
end subroutine add

现在我们可以将这个子程序编译为动态库：

$ gfortran -shared -fPIC -o libadd.so add.f90

然后在Python中使用CFFI库调用这个Fortran子程序：

import cffi

# 加载库
ffi = cffi.FFI()
ffi.cdef("void add(int* a,int* b, int* result);")
lib = ffi.dlopen("./libadd.so")

# 调用子程序
a = 1
b = 2
result = ffi.new("int*")
lib.add(ffi.cast("int*", a), ffi.cast("int*", b), result)
print(result[0]) # 输出3

2. 使用Python扩展模块

Python扩展模块可以通过将Fortran子程序编译为共享库，并将其作为Python模块的一部分打包在一起的方式，将Fortran代码和Python代码集成在一起。这种方法的好处是Python程序可以直接调用Fortran子程序，而无需在代码中调用C API。这种方法的缺点是需要重编译Python的扩展模块。

示例1: 使用F2py构建Python扩展模块

F2py是用于将Fortran子程序编译为Python模块的常用工具。以下是使用F2py构建Python扩展模块的示例：

假设我们编写了一个Fortran子程序，其中包含如下子程序：

subroutine add(a,b,result)
  implicit none
  integer, intent(in) :: a,b
  integer, intent(out) :: result
  result = a + b
end subroutine add

现在我们可以使用F2py将这个子程序编译为Python扩展模块：

$ f2py -m add -c add.f90

然后在Python程序中可以直接导入这个扩展模块并调用其中的子程序：

import add

a = 1
b = 2
result = add.add(a, b)
print(result) # 输出3

3. 使用Fortran-to-Python转换工具

Fortran-to-Python转换工具可以将Fortran代码自动转换为Python代码，从而使Python能够直接调用Fortran子程序。这种方法的好处是无需手动编写Python扩展模块或Fortran子程序库，但是转换过程可能包含手动调整和性能问题。

示例1: 使用f2pygen工具生成Python代码

f2pygen是用于将Fortran子程序转换为Python模块的工具。以下是使用f2pygen生成Python代码的示例：

假设我们编写了一个Fortran代码，其中包含如下子程序：

subroutine add(a,b,result)
  implicit none
  integer, intent(in) :: a,b
  integer, intent(out) :: result
  result = a + b
end subroutine add

现在我们可以使用f2pygen将Fortran代码转换为Python代码：

$ f2pygen add.f90 --name add > add.py

然后在Python程序中导入这个模块并调用其中的子程序：

import add

a = 1
b = 2
result = add.add(a, b)
print(result) # 输出3

总结：以上就是Python调用Fortran的三种形式的详细攻略。其中，第一种形式使用Fortran子程序库调用，需要手动调用C API或使用CFFI库或ctypes库来调用。第二种形式使用Python扩展模块调用，需要重新编译Python的扩展模块。第三种形式是使用Fortran-to-Python转换工具自动将Fortran代码转换为Python代码，无需手动编写Python扩展模块或Fortran子程序库。