Fortran 与 C++ 文件读写差异对比¶

基于你熟悉的 C++ 背景，我来梳理 Fortran 文件读写的核心差异。两者在理念、语法和底层实现上都有显著不同。

一、核心概念差异¶

1. 文件标识方式

• C++: 使用文件流对象（ifstream/ofstream）作为句柄，面向对象风格
• Fortran: 使用整数单元号（UNIT）标识文件，过程式风格

  ! Fortran: 需手动指定单元号（通常>10）
  open(10, file="data.txt")
  read(10, *) x
  close(10)
  
  ! 现代Fortran2003+ 可用 newunit 自动分配
  integer :: u
  open(newunit=u, file="data.txt")
  

2. 编程范式

• C++: 对象方法调用，如 file.open(), file.read(), file.close()
• Fortran: 独立语句，如 OPEN, READ, WRITE, CLOSE

二、文件打开与关闭¶

打开参数对比¶

关键差异点¶

1. 单元号 vs 对象: Fortran 必须用整数单元号，C++ 用对象实例
2. 模式分离: Fortran 将访问方式（SEQUENTIAL/DIRECT）、格式（FORMATTED/UNFORMATTED）、动作（ACTION）分开指定，C++ 用位掩码组合

三、文本文件读写¶

1. 格式化I/O

• C++: 使用 << 和 >> 运算符，自动类型推导

  file << x << " " << y << endl;
  file >> x >> y;
  

• Fortran: 必须指定格式字符串或使用表控格式（*）

  ! 指定格式（非常严格）
  write(10, '(I5, F10.3)') i, x
  
  ! 表控格式（类似C++的<<，但分隔符有差异）
  write(10, *) i, x
  read(10, *) i, x
  

2. 字符串差异

• C++: std::string 是原生类型，支持动态长度
• Fortran: CHARACTER(len=n) 必须预定义固定长度，读取时不会自动截断，可能导致空格填充

3. 行操作

• C++: getline(file, str) 直接读整行
• Fortran: 需用格式描述符 (A) 读取字符数组

  character(len=100) :: line
  read(u, '(A)') line  ! 读整行
  

四、二进制文件处理（核心差异）¶

1. 存储结构

这是最大差异：

• C++: 纯字节流，无额外元数据

  // 直接写入内存二进制映像
  file.write(reinterpret_cast<char*>(&data), sizeof(data));
  

• Fortran: 记录式结构，每条记录前后有4字节长度标记（编译器相关）

  ! 顺序写入时，Fortran会添加头部和尾部长度记录
  open(u, file='data.bin', form='unformatted')
  write(u) data_array  ! 实际写入: [4字节长度][数据][4字节长度]
  

  后果: Fortran二进制文件通常只能用Fortran读取，跨语言兼容性差

2. 解决方案

• 现代Fortran: 使用 access='stream' 模拟C++的字节流

  ! Fortran2003+ 支持，与C++二进制兼容
  open(newunit=u, file='data.bin', form='unformatted', access='stream')
  read(u) data
  

3. 直接访问模式

• C++: 用 seekg()/seekp() 任意定位，配合 read()/write()

  file.seekg(100, ios::beg);  // 偏移100字节
  file.read(&data, sizeof(data));
  

• Fortran: 用 ACCESS='direct' 指定固定记录长度

  ! 每条记录长度必须固定（RECL单位依赖编译器）
  open(u, file='data.bin', access='direct', recl=32)
  read(u, rec=5) data  ! 读取第5条记录
  

五、文件位置控制¶

六、错误处理¶

• C++: 状态位检查 file.good(), file.eof(), file.fail()
• Fortran: IOSTAT= 和 ERR= 标签

  read(u, *, iostat=ios) x
  if (ios /= 0) then
    ! 处理错误
  end if
  

七、其他重要差异¶

1. 预定义设备

Fortran 预定义单元号需避免：

• * : 标准输入/输出（类似C++的 cin/cout）
• 5 : 键盘（输入）
• 6 : 显示器（输出）

C++ 无此概念，直接使用 std::cin/std::cout。

2. 默认行为

• C++: 文本模式默认，换行符自动转换
• Fortran: 格式化（FORMAT='formatted'）默认，但对空格敏感，BLANK='null'/'zero' 影响数字读取

3. 跨平台换行

• C++: << endl 自动写入系统换行符
• Fortran: 每条 WRITE 语句默认换行，需用 ADVANCE='NO' 控制

八、混合编程建议¶

若需在C++和Fortran间交换二进制数据：

1. Fortran端: 使用 access='stream' 避免记录标记
2. C++端: 确保结构体/class 内存布局一致（注意填充字节）
3. 推荐: 使用文本格式或HDF5/netCDF等跨语言标准格式

总结速查表¶

理解这些差异后，从C++转向Fortran文件操作，核心在于适应单元号和格式字符串的显式管理，并特别注意二进制文件的记录结构问题。