Python 调用 Fortran：方法、工具、示例
在现代科学计算中，Python的易用性、Fortran的高效性、互操作性使得它们成为组合使用的理想选择。你可以通过以下几种方法在Python中调用Fortran代码：
- 使用F2PY工具：F2PY是NumPy的一部分，可以将Fortran代码转换为Python模块。
- 使用CFFI：CFFI提供了一种直接调用C库的方式，你可以借助C接口调用Fortran代码。
- 使用Cython：Cython是一种编译器，可以将Python代码转换为C，从而可以调用Fortran库。
以下将详细介绍如何使用F2PY工具来调用Fortran代码。
一、F2PY工具
1、安装和概述
F2PY是一个自动化工具，可以将Fortran代码编译成Python模块，从而实现Fortran代码在Python中的调用。F2PY是NumPy的一部分，所以你只需要安装NumPy即可。
pip install numpy
2、编写Fortran代码
首先，我们编写一个简单的Fortran函数，保存为add.f90：
! add.f90
module mymodule
contains
subroutine add(a, b, result)
real, intent(in) :: a, b
real, intent(out) :: result
result = a + b
end subroutine add
end module mymodule
3、使用F2PY编译Fortran代码
接下来，使用F2PY将Fortran代码编译为Python模块：
f2py -c -m mymodule add.f90
这条命令会生成一个mymodule的Python模块。
4、在Python中调用Fortran代码
编译完成后，你可以在Python中调用这个模块：
import mymodule
a = 1.0
b = 2.0
result = mymodule.mymodule.add(a, b)
print("The result is:", result)
二、CFFI工具
1、安装和概述
CFFI是一个强大的外部函数接口库，允许你从Python调用C函数。你可以通过CFFI间接调用Fortran代码。
pip install cffi
2、编写C接口和Fortran代码
首先，编写一个简单的Fortran函数，保存为add.f90：
! add.f90
subroutine add(a, b, result)
real, intent(in) :: a, b
real, intent(out) :: result
result = a + b
end subroutine add
然后，编写一个C接口，保存为add.h：
void add(float* a, float* b, float* result);
3、编译Fortran代码和C接口
编译Fortran代码和C接口：
gfortran -c add.f90
gcc -shared -o libadd.so add.o
4、使用CFFI调用Fortran代码
编写Python代码调用Fortran函数：
from cffi import FFI
ffi = FFI()
ffi.cdef("""
void add(float* a, float* b, float* result);
""")
C = ffi.dlopen("./libadd.so")
a = ffi.new("float *", 1.0)
b = ffi.new("float *", 2.0)
result = ffi.new("float *")
C.add(a, b, result)
print("The result is:", result[0])
三、Cython工具
1、安装和概述
Cython是一个编译器，可以将Python代码转换为C，从而调用Fortran库。
pip install cython
2、编写Fortran代码
编写一个简单的Fortran函数，保存为add.f90：
! add.f90
subroutine add(a, b, result)
real, intent(in) :: a, b
real, intent(out) :: result
result = a + b
end subroutine add
3、编写Cython接口
编写一个Cython接口，保存为add.pyx：
# add.pyx
cdef extern from "add.h":
void add(float* a, float* b, float* result)
def py_add(float a, float b):
cdef float result
add(&a, &b, &result)
return result
4、编译Cython代码
编写setup.py文件：
from distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize
setup(
ext_modules = cythonize("add.pyx")
)
编译Cython代码：
python setup.py build_ext --inplace
5、在Python中调用Cython模块
编译完成后，你可以在Python中调用这个模块：
import add
a = 1.0
b = 2.0
result = add.py_add(a, b)
print("The result is:", result)
四、总结
在本文中，我们详细介绍了三种在Python中调用Fortran代码的方法：F2PY、CFFI、Cython。每种方法都有其独特的优势，选择哪种方法取决于你的具体需求和项目复杂性。
- F2PY：适用于快速将Fortran代码转换为Python模块的场景，使用简单，适合大多数情况。
- CFFI：提供了更灵活的C接口调用方式，适用于需要更高级控制的场景。
- Cython：适用于需要将Python代码编译为C并调用Fortran库的场景，适合高性能计算项目。
通过合理选择和使用这些工具，你可以充分发挥Python和Fortran各自的优势，提高科学计算的效率和灵活性。无论你是数据科学家、工程师还是研究人员，这些方法都能为你的工作提供强有力的支持。
相关问答FAQs：
1. 如何在Python中调用Fortran代码？
要在Python中调用Fortran代码，可以使用F2PY工具。F2PY是一个用于生成Python可调用Fortran扩展模块的工具。您可以通过以下步骤进行操作：
- 首先，编写您的Fortran代码，并将其保存为扩展名为.f90或.f的文件。
- 然后，使用F2PY命令将Fortran代码编译成Python可调用的扩展模块。例如，您可以在命令行中运行以下命令：
f2py -c your_fortran_code.f90 -m your_module_name - 最后，在Python中导入生成的扩展模块，并调用其中的函数或子程序。
2. 我应该如何准备我的Fortran代码以便能够在Python中调用？
为了能够在Python中调用Fortran代码，您需要确保您的Fortran代码已经编写成可调用的模块。这意味着您应该将您的代码封装在Fortran模块中，并定义适当的接口，以便Python可以调用。
在您的Fortran代码中，您可以使用INTERFACE关键字定义要导出给Python的函数或子程序。通过使用BIND(C)子句，您可以确保这些函数或子程序的接口与C语言兼容，这样Python就可以正确地调用它们。
3. 我需要安装什么软件才能在Python中调用Fortran代码？
要在Python中调用Fortran代码，您需要安装F2PY工具。F2PY是NumPy库的一部分，因此您可以通过安装NumPy来获取F2PY。
您可以使用以下命令在Python中安装NumPy：
pip install numpy
安装完成后，您就可以使用F2PY工具来编译和调用Fortran代码了。请注意，F2PY在某些Python发行版中可能已经预先安装，所以您可以尝试直接使用它。如果找不到F2PY命令，请确保您的NumPy版本已正确安装，并检查您的环境变量设置。
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