python如何调用fortran程序

在Python中调用Fortran程序可以通过多种方式实现，如使用f2py工具、利用Cython、通过ctypes库、使用Fortran库的Python绑定。其中，使用f2py工具是最常见和简单的方法。下面将详细介绍如何使用f2py工具调用Fortran程序。

使用f2py工具

f2py是一个用于将Fortran代码编译为Python可调用模块的工具。它是NumPy的一部分，可以直接将Fortran代码编译成Python模块，从而在Python中方便地调用Fortran程序。

1. 安装f2py

首先，你需要安装NumPy，因为f2py是NumPy的一部分。可以使用以下命令安装NumPy：

pip install numpy

2. 编写Fortran代码

创建一个Fortran文件，例如example.f90，包含一个简单的Fortran函数：

subroutine my_subroutine(a, b, c)
    implicit none
    real, intent(in) :: a, b
    real, intent(out) :: c
    c = a + b
end subroutine my_subroutine

3. 使用f2py编译Fortran代码

使用f2py将Fortran代码编译成Python模块。运行以下命令：

f2py -c -m example example.f90

这将生成一个名为example的Python模块。

4. 在Python中调用Fortran代码

现在你可以在Python中导入并调用这个模块：

import example
a = 1.0
b = 2.0
c = example.my_subroutine(a, b)
print("Result:", c)

其他方法

使用Cython

Cython是一种增强Python性能的编译器，它也可以用于调用Fortran代码。虽然使用Cython比较复杂，但它提供了更多的控制和优化选项。

使用ctypes库

ctypes是Python的一个标准库，用于调用C语言库。你可以通过编译Fortran代码为共享库（如.so文件），然后使用ctypes加载并调用它们。

详细描述f2py的使用

f2py（Fortran to Python interface generator）是NumPy中的一个工具，可以将Fortran代码包装成Python模块，使得Python能够调用Fortran子程序和函数。它是Python和Fortran之间互操作的桥梁，简化了调用Fortran代码的过程。

安装和设置

f2py是NumPy的一部分，因此安装NumPy即可获得f2py。可以使用以下命令安装NumPy：

pip install numpy

编写Fortran代码

假设我们有一个Fortran程序，存储在文件example.f90中，内容如下：

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

这个Fortran子程序add_numbers接受两个输入参数a和b，并通过result返回它们的和。

使用f2py编译Fortran代码

使用以下命令将Fortran代码编译为Python模块：

f2py -c -m example example.f90

解释：

-c：编译Fortran代码。
-m example：生成的Python模块名为example。
example.f90：要编译的Fortran文件。

编译成功后，将生成一个名为example的共享库文件（如example.so或example.pyd），可以在Python中导入。

在Python中使用生成的模块

现在可以在Python中导入和使用这个模块：

import example
a = 3.0
b = 4.0
result = example.add_numbers(a, b)
print("Result:", result)

这段代码将输出：

Result: 7.0

使用Cython调用Fortran代码

Cython是一种超集的Python语言，允许你在Python代码中使用C语言的特性，从而提高性能。虽然Cython主要用于加速Python代码，但也可以用于调用Fortran代码。使用Cython调用Fortran代码的步骤如下：

编写Fortran代码

假设我们有一个Fortran程序，存储在文件example.f90中，内容如下：

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

编译Fortran代码

首先，将Fortran代码编译为共享库（如.so文件）。可以使用gfortran编译：

gfortran -shared -fPIC -o libexample.so example.f90

编写Cython接口

创建一个Cython文件，例如example.pyx，内容如下：

cdef extern from "example.h":
    void add_numbers(float *a, float *b, float *result)
def add_numbers_py(float a, float b):
    cdef float result
    add_numbers(&a, &b, &result)
    return result

编写setup.py脚本

编写一个setup.py脚本，用于编译Cython代码：

from distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize
setup(
    ext_modules = cythonize("example.pyx")
)

编译Cython代码

运行以下命令编译Cython代码：

python setup.py build_ext --inplace

在Python中使用生成的模块

现在可以在Python中导入和使用这个模块：

import example
a = 3.0
b = 4.0
result = example.add_numbers_py(a, b)
print("Result:", result)

使用ctypes库调用Fortran代码

ctypes是Python的一个标准库，用于调用C语言库。你可以通过编译Fortran代码为共享库（如.so文件），然后使用ctypes加载并调用它们。

编写Fortran代码

假设我们有一个Fortran程序，存储在文件example.f90中，内容如下：

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

编译Fortran代码

首先，将Fortran代码编译为共享库（如.so文件）。可以使用gfortran编译：

gfortran -shared -fPIC -o libexample.so example.f90

在Python中使用ctypes调用Fortran代码

使用ctypes加载并调用共享库：

import ctypes
import numpy as np
加载共享库
lib = ctypes.CDLL('./libexample.so')
定义Fortran子程序的原型
lib.add_numbers.argtypes = [ctypes.POINTER(ctypes.c_float), ctypes.POINTER(ctypes.c_float), ctypes.POINTER(ctypes.c_float)]
调用Fortran子程序
a = ctypes.c_float(3.0)
b = ctypes.c_float(4.0)
result = ctypes.c_float()
lib.add_numbers(ctypes.byref(a), ctypes.byref(b), ctypes.byref(result))
print("Result:", result.value)

这段代码将输出：

Result: 7.0

结论

Python调用Fortran程序有多种方法，f2py工具、Cython、ctypes库是其中最常用的几种方法。使用f2py是最简单和直观的方法，适用于大多数情况。Cython提供了更多的控制和优化选项，但使用起来相对复杂。ctypes库是Python的标准库，适用于需要调用共享库的情况。根据具体需求选择合适的方法，可以高效地在Python中调用Fortran程序。