python如何调用fortran

Python调用Fortran可以通过多种方式实现，包括F2PY、Ctypes和CFFI等工具。F2PY是最常用的方法，因为它是NumPy的一部分，使用方便、效率高、支持自动生成接口。下面将详细介绍如何使用F2PY进行Python和Fortran的互操作。

一、F2PY：Python与Fortran的桥梁

F2PY是一个用于连接Python与Fortran代码的工具。它能够将Fortran代码编译为Python可调用的模块，从而使Python程序能够直接调用Fortran编写的高效数值计算代码。

1. F2PY的安装与基本使用

为了使用F2PY，需要确保安装了NumPy，因为F2PY是NumPy的一个子模块。可以使用以下命令安装NumPy：

pip install numpy

安装完NumPy后，F2PY就可以使用了。基本的使用步骤如下：

编写Fortran代码并保存在.f90或.f文件中。
使用F2PY编译Fortran代码为Python模块。
在Python脚本中导入生成的模块并调用其中的函数。

例如，有一个简单的Fortran代码example.f90如下：

subroutine add(a, b, result)
    real, intent(in) :: a, b
    real, intent(out) :: result
    result = a + b
end subroutine add

使用F2PY编译该代码：

f2py -c -m example example.f90

该命令会生成一个名为example的Python模块，可以在Python中导入并使用：

import example
result = example.add(3.0, 4.0)
print(result)  # 输出7.0

2. F2PY的高级功能

F2PY不仅可以处理简单的函数，还支持复杂的数据结构、数组操作和模块封装。以下是一些F2PY的高级功能：

数组支持：F2PY可以自动将NumPy数组与Fortran数组互相转换，这使得大规模数值计算的效率更高。
多文件支持：可以通过在命令中指定多个Fortran文件来编译包含多个子程序的代码。
模块封装：F2PY支持Fortran模块的封装，可以在Python中调用整个模块而不仅仅是单个子程序。

二、CTypes：调用Fortran共享库

CTypes是Python标准库的一部分，用于调用C语言编写的共享库，但它同样可以用于调用由Fortran编译而成的共享库。

1. 使用CTypes调用Fortran代码

首先，需要将Fortran代码编译为共享库。例如，有一个Fortran文件example.f90：

subroutine multiply(a, b, result)
    real, intent(in) :: a, b
    real, intent(out) :: result
    result = a * b
end subroutine multiply

编译为共享库：

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

在Python中使用CTypes调用该共享库：

import ctypes
加载共享库
lib = ctypes.CDLL('./libexample.so')
定义Fortran子程序的参数和返回类型
lib.multiply.argtypes = [ctypes.POINTER(ctypes.c_float), ctypes.POINTER(ctypes.c_float), ctypes.POINTER(ctypes.c_float)]
a = ctypes.c_float(3.0)
b = ctypes.c_float(4.0)
result = ctypes.c_float()
调用Fortran子程序
lib.multiply(ctypes.byref(a), ctypes.byref(b), ctypes.byref(result))
print(result.value)  # 输出12.0

2. CTypes的优缺点

优点：

灵活性：CTypes可以调用任何C兼容的共享库，不限于Fortran。
标准化：作为Python标准库的一部分，CTypes不需要额外安装。

缺点：

复杂性：需要手动管理数据类型和内存，是一种较为底层的调用方式。
性能：相比F2PY，CTypes的性能可能略低，因为需要更多的手动操作和转换。

三、CFFI：现代化的接口工具

CFFI（C Foreign Function Interface）是一个用于调用C代码的工具，它提供了一种更现代化和高效的方式来实现Python与C/Fortran的互操作。

1. 使用CFFI调用Fortran代码

CFFI的使用步骤与CTypes类似，但提供了更高级的功能和更简洁的语法。例如，使用CFFI来调用前面的Fortran共享库：

首先，确保安装CFFI：

pip install cffi

然后，在Python中使用CFFI：

from cffi import FFI
ffi = FFI()
定义Fortran子程序的接口
ffi.cdef("""
    void multiply(float* a, float* b, float* result);
""")
加载共享库
lib = ffi.dlopen('./libexample.so')
a = ffi.new("float*", 3.0)
b = ffi.new("float*", 4.0)
result = ffi.new("float*")
调用Fortran子程序
lib.multiply(a, b, result)
print(result[0])  # 输出12.0