Ngôn ngữ lập trình Fortran là gì? Tại sao “ngôn ngữ mở đường cho phần mềm hiện đại” vẫn đang được sử dụng?

Với lịch sử phát triển lâu đời, Fortran đã giúp đẩy mạnh sự phát triển của công nghiệp máy tính và có tầm ảnh hưởng lớn đối với nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong bài viết hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Fortran là gì và nguyên nhân tại sao ngôn ngữ này vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Tổng quan về ngôn ngữ lập trình Fortran

Ngôn ngữ lập trình Fortran là gì?

Fortran là viết tắt của “FORmula TRANslation“, một ngôn ngữ lập trình với lịch sử lâu đời, có đóng góp quan trọng trong ngành công nghiệp phần mềm và nghiên cứu khoa học.

Được phát triển ban đầu vào những năm 1950 bởi IBM, Fortran đã tạo ra một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực lập trình bằng cách cho phép lập trình viên biểu diễn các phép tính toán và công thức toán học một cách dễ dàng hơn. Điều này giúp giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến tính toán và mô phỏng trong các lĩnh vực như khoa học, kỹ thuật và nghiên cứu.

Ngoài ra, Fortran cũng được sử dụng rộng rãi trong các dự án như mô phỏng thời tiết, thiết kế máy bay và nghiên cứu vật lý hạt nhân.

Nhìn chung, Fortran đã giúp đẩy mạnh sự phát triển của công nghiệp máy tính và có tầm ảnh hưởng lớn đối với nhiều lĩnh vực khác nhau.

Lịch sử phát triển của Fortran

• Fortran I (1957): Fortran được phát triển bởi IBM vào năm 1957 dưới tên gọi Fortran I. Đây là phiên bản đầu tiên của ngôn ngữ lập trình này, được sử dụng rộng rãi trong các dự án khoa học và quân sự.
• Fortran II & III (1958): Phiên bản Fortran II & III được ra mắt vào cùng năm 1958, với nhiều cải tiến và sửa lỗi so với phiên bản trước đó. Các phiên bản này giúp nâng cao hiệu suất và tính ổn định của các chương trình Fortran.
• Fortran IV (1961): Fortran IV được phát hành vào năm 1961 và đã trở thành phiên bản phổ biến nhất của Fortran. Phiên bản này đưa vào nhiều tính năng mới như mảng đa chiều và kiểu dữ liệu nguyên thủy động.
• Fortran 66 (1966): Fortran 66 là một phiên bản quan trọng của Fortran. Phiên bản này đã đưa vào nhiều cải tiến về cú pháp và kiểu dữ liệu, giúp cho ngôn ngữ trở nên mạnh mẽ và dễ đọc hơn.
• Fortran 77 (1977): Fortran 77 tiếp tục cải tiến và mở rộng ngôn ngữ. Phiên bản này bổ sung nhiều tính năng mới như khai báo kiểu dữ liệu và kiểu dữ liệu tùy chỉnh.
• Fortran 90 (1991): Fortran 90 là một phiên bản với nhiều cải tiến quan trọng với việc đưa vào các tính năng như modules, kiểu dữ liệu tự định nghĩa và quản lý bộ nhớ động.
• Fortran 95 (1997): Phiên bản Fortran 95 tiếp tục phát triển dựa trên Fortran 90 bằng việc thêm vào các tính năng mới như trình quản lý tham chiếu, kiểu dữ liệu con trỏ và cập nhật cú pháp.
• Fortran 2003 và sau này: Fortran đã tiếp tục phát triển với các phiên bản mới như Fortran 2003, Fortran 2008 và Fortran 2018. Các phiên bản này đã đưa vào nhiều tính năng mới như xử lý đồng thời, hỗ trợ chuỗi ký tự, và các cải tiến về hiệu suất.

Cú pháp của Fortran

Khai báo biến:

Để khai báo biến trong Fortran, bạn sử dụng từ khóa “REAL” (cho số thực) hoặc “INTEGER” (cho số nguyên), sau đó là tên biến và kết thúc bằng dấu hai chấm.

Ví dụ:

REAL :: x

INTEGER :: i

Gán giá trị cho biến:

Để gán giá trị cho biến, bạn sử dụng dấu “=”. Ví dụ:

x = 3.14

i = 42

Câu lệnh điều kiện:

Fortran sử dụng câu lệnh IF…THEN…ELSE để kiểm tra điều kiện.

Ví dụ:

IF (x > 0) THEN

 ! Thực hiện các câu lệnh khi x lớn hơn 0

ELSE

 ! Thực hiện các câu lệnh khi x không lớn hơn 0

END IF

Vòng lặp:

Fortran sử dụng vòng lặp DO để thực hiện một loạt câu lệnh nhiều lần.

Ví dụ:

DO i = 1, 10

 ! Thực hiện các câu lệnh 10 lần, với i từ 1 đến 10

END DO

Hàm và thủ tục:

Bạn có thể định nghĩa hàm và thủ tục riêng trong Fortran.

Ví dụ:

FUNCTION tinhTong(a, b)

 REAL, INTENT(IN) :: a, b

 REAL :: tinhTong

 tinhTong = a + b

END FUNCTION

SUBROUTINE inSo(n)

 INTEGER, INTENT(IN) :: n

 PRINT *, "Số bạn nhập là:", n

END SUBROUTINE

Lưu ý: Fortran có nhiều phiên bản khác nhau (ví dụ: Fortran 77, Fortran 90, Fortran 95). Vì vậy, cú pháp có thể thay đổi một chút theo phiên bản cụ thể.

Ưu điểm của Fortran

Ưu điểm chính của Fortran nằm ở hiệu suất và độ chính xác khi thực hiện các phép toán số học. Độ chính xác làm cho ngôn ngữ này phù hợp cho nghiên cứu khoa học, dự án kỹ thuật, mô phỏng và các phép toán toán học. Khả năng hỗ trợ gỡ lỗi của Fortran cho phép các nhà phát triển nhanh chóng tạo mẫu các chương trình với số lỗi tối thiểu và tiết kiệm thời gian trong quá trình gỡ lỗi.

Các nhà phát triển cũng có thể sử dụng Fortran cùng với các ngôn ngữ lập trình khác như C++ hoặc Python bằng cách sử dụng các thư viện như Matlab hoặc SciPy. Khả năng tương thích này cho phép họ kết hợp sức mạnh của cả hai ngôn ngữ vào một chương trình. Ngoài ra, Fortran cũng tương thích trên nhiều nền tảng khác nhau bao gồm Linux, Windows và macOS.

Bởi vì Fortran là phần mềm mã nguồn mở nên người mới có thể học bằng cách truy cập các hướng dẫn hoặc tài liệu chính thức. Ngôn ngữ có cú pháp và ngữ pháp đơn giản và ít từ khóa và ký tự đặc biệt hơn so với các ngôn ngữ khác, giúp giảm đi sự phức tạp và nhầm lẫn cho người mới.

Fortran có lịch sử lâu dài trong việc sử dụng lại mã nguồn, nghĩa là đã có nhiều thư viện và module sẵn có cho các nhiệm vụ và vấn đề khác nhau. Các thư viện số học và khoa học phong phú như LAPACK và BLAS, giúp giải quyết các vấn đề phức tạp như giải hệ phương trình tuyến tính và thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh.

Cuối cùng, cộng đồng Fortran lớn và khá tích cực. Họ sẽ cung cấp nguồn tài liệu hữu ích và hỗ trợ cho việc học và gỡ lỗi.

Những hạn chế của Fortran so với các ngôn ngữ khác

Cú pháp cổ điển

Cú pháp của Fortran thường được coi là cổ điển và khó đọc hơn so với các ngôn ngữ lập trình hiện đại như Python, C++, hoặc Java. Điều này có thể làm cho việc phát triển và bảo trì mã nguồn trở nên khó khăn hơn.

Quản lý bộ nhớ thủ công

Fortran không cung cấp cơ chế tự động quản lý bộ nhớ như Garbage Collection trong Java hoặc Python. Người lập trình phải tự quản lý bộ nhớ, điều này có thể dẫn đến lỗi như rò rỉ bộ nhớ hoặc tràn bộ nhớ nếu không cẩn thận.

Hạn chế trong lập trình đa luồng

Trong quá khứ, Fortran không hỗ trợ đa luồng (multithreading) một cách hiệu quả. Mặc dù một số phiên bản mới đã bắt đầu hỗ trợ đa luồng, nhưng vẫn không mạnh mẽ như một số ngôn ngữ khác.

Ít hỗ trợ cho lập trình đối tượng

Fortran không được thiết kế ban đầu để hỗ trợ lập trình đối tượng, và các tính năng lập trình đối tượng có thể hạn chế trong các phiên bản cũ hơn của Fortran.

Cộng đồng nhỏ hơn

So với các ngôn ngữ phổ biến khác như Python, JavaScript hoặc Java, cộng đồng người dùng Fortran nhỏ hơn, điều này có thể làm cho việc tìm kiếm hỗ trợ và tài liệu trở nên khó khăn hơn.

Khả năng tích hợp với các hệ thống mới

Một số dự án mới và hệ thống không hỗ trợ Fortran hoặc yêu cầu công việc tích hợp với các ngôn ngữ khác, điều này có thể tạo ra thách thức khi sử dụng Fortran để lập trình.

Tại sao Fortran vẫn tồn tại?

• Tính ổn định và tin cậy: Fortran đã tồn tại rất lâu và đã được kiểm tra kỹ lưỡng, đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy. Điều này rất quan trọng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao như khoa học và kỹ thuật.
• Hiệu suất cao: Fortran vẫn nổi tiếng với hiệu suất cao, đặc biệt là trong việc xử lý tính toán khoa học và số học. Mã Fortran thường có khả năng tận dụng tối đa tài nguyên phần cứng, giúp tối ưu hóa thời gian tính toán.
• Sự hỗ trợ của cộng đồng: Có sẵn nhiều thư viện và công cụ hỗ trợ, cũng như sự chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm giữa các lập trình viên Fortran.
• Ứng dụng đã tồn tại: Nhiều dự án lớn và quan trọng đã được viết bằng Fortran. Việc chuyển đổi sang ngôn ngữ lập trình khác có thể gây rủi ro và tốn kém. Do đó, việc duy trì và phát triển ứng dụng Fortran hiện có là lựa chọn hợp lý hơn.
• Lối tư duy toán học: Một số lĩnh vực như toán học và khoa học máy tính vẫn giữ lối tư duy toán học truyền thống. Fortran với cú pháp và cấu trúc gần gũi với toán học vẫn là công cụ lý tưởng cho những người làm việc trong các lĩnh vực này.

Ứng dụng của ngôn ngữ lập trình Fortran

Mô phỏng và tính toán khoa học

Fortran thường được sử dụng trong các lĩnh vực như vật lý, hóa học, và sinh học để phát triển các chương trình tính toán phức tạp, mô phỏng thực nghiệm và phân tích dữ liệu.

Mô hình hóa thời tiết

Ngôn ngữ này được sử dụng để phát triển mô hình dự báo thời tiết và mô phỏng khí hậu. Các ứng dụng này đòi hỏi tính toán cao và hiệu suất.

Phân tích dữ liệu thống kê

Fortran còn được sử dụng để thực hiện các phân tích thống kê phức tạp trên dữ liệu lớn, chẳng hạn như dự báo và mô hình hóa xu hướng thị trường tài chính.

Công nghiệp hàng không và không gian

Trong công nghiệp hàng không, Fortran được sử dụng để phân tích và mô phỏng các hệ thống, vận tốc của các tàu vũ trụ và máy bay.

Ngoài ra, ngôn ngữ này cũng thường được ứng dụng trong việc tính toán vị trí và quỹ đạo của vệ tinh và đo lường các thông số không gian.

Công nghệ năng lượng

Trong việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới về năng lượng, Fortran có thể được sử dụng để tính toán và mô phỏng hiệu suất các loại hệ thống năng lượng, chẳng hạn như tổng hợp năng lượng mặt trời hoặc mô phỏng hoạt động của lò hạt nhân.

Trong công nghiệp dầu khí, Fortran được sử dụng để phân tích dữ liệu địa chất, tính toán dự báo về dầu và khí tự nhiên.

Phát triển phần mềm khoa học

Fortran vẫn được sử dụng để phát triển các ứng dụng khoa học và công nghệ, đặc biệt là trong môi trường nghiên cứu và công nghiệp.

Tài liệu và giáo dục

Fortran vẫn được sử dụng trong giảng dạy và nghiên cứu trong các lĩnh vực liên quan đến tính toán toán học và khoa học.

Dù đã trải qua nhiều thay đổi nhưng với hiệu suất cao, tính ổn định và sự hỗ trợ từ cộng đồng, Fortran hoàn toàn có thể đáp ứng nhu cầu tính toán phức tạp và tiếp tục đóng góp vào sự phát triển của nhiều lĩnh vực quan trọng trong thế giới hiện đại.

Những câu hỏi thường gặp