Fortran との対応表

Fortran で書いていた処理を、C++ と MISO でどう書くかを引くための表です。 左の列で Fortran の書き方を探し、右の列の書き方と、説明している章へ進んでください。 表の対応は「同じ目的に使う書き方」の対応で、意味が完全に同じとは限りません。違いがある行には注意を書いています。 ソースのパスは、MISO を clone したフォルダからの相対パスです。

目次

1. プログラムの構成

Fortran

C++・MISO

注意

説明

program main 〜 end program

int main(int argc, char **argv) { ... }

argc, argv はコマンド行の引数です

第 2 章

implicit none

不要

C++ では、すべての変数を宣言してから使います。暗黙の型はありません

第 2 章

! コメント

// コメント、/* ... */

第 2 章

行の継続 &

不要

文は ; で終わります。改行は文の区切りになりません

第 2 章

大文字と小文字を区別しない

区別する

Real と real は別の名前です

第 2 章

end do, end if

}

{ } で囲んだ範囲がブロックです

第 2 章

include 'file.inc'

#include "file.hpp"

#include はファイルの中身をその場所に展開します

第 2 章

ソースファイル .F90（プリプロセッサあり）

ヘッダ .hpp と実装 .cpp。MISO はヘッダだけ（ヘッダオンリー）

ヘッダの中のテンプレートでない関数には inline を付けます

第 2 章

初期化の call xxx_init を順に並べる

オブジェクトを作るとコンストラクタが動く（Model model(config);）

後片付けはデストラクタが自動で行います

第 4 章、第 11 章

2. 型・宣言・定数

Fortran

C++・MISO

注意

説明

integer :: n

int n;

関数の中の int n; は値が決まりません。int n = 0; のように初期化します

第 2 章

real :: x（単精度）

float x;

第 2 章

real(8) :: x、double precision :: x

double x;

第 2 章

integer, parameter :: dp = kind(1.0d0) と real(dp) :: x

using Real = double; と Real x;

MISO のデモは using Real = float; です。MISO の部品は Real をテンプレート引数で受け取ります

第 2 章、第 6 章

1.0（既定は単精度）、1.0d0、1.0_dp

1.0f（float）、1.0（double）、Real(1.0)

C++ の 1.0 は倍精度です。Real が float の計算に 0.5 を混ぜると倍精度で計算されるので、MISO では Real(0.5) と書きます

第 2 章

logical :: f = .true.

bool f = true;

第 2 章

character(len=*) :: s、//（連結）

std::string s;、+

長さは自動で決まり、trim は不要です

第 2 章

real, parameter :: pi = 3.14159

constexpr double pi = 3.14159;、const

MISO の \(\pi\) は pi<Real>（変数テンプレート、miso/include/miso/constants.hpp）

第 2 章、第 6 章

real(x)、dble(n)（型変換）

Real(x)、static_cast<double>(n)

第 2 章

int(x)

static_cast<int>(x)

どちらも 0 の方向へ切り捨てます

第 2 章

型を書かずに右辺から決める書き方はない

auto x = ...;

右辺の型がそのまま変数の型になります

第 2 章

3. 演算子と組み込み関数

Fortran

C++・MISO

注意

説明

x**2、x**3

util::pow2(x)、util::pow3(x)（miso/include/miso/utility.hpp）、std::pow(x, y)

C++ にべき乗の演算子はありません。^ は排他的論理和です

第 2 章

7 / 2（整数の割り算）

7 / 2

どちらも結果は 3 です

第 2 章

mod(a, b)

a % b（整数）、std::fmod(a, b)（浮動小数点）

負の数でも符号の規則は同じです（割られる数の符号）

第 2 章

==、/=、.eq.、.ne.

==、!=

/= は C++ では「割って代入」です

第 2 章

.and.、.or.、.not.

&&、||、!

第 2 章

x = x + 1

x = x + 1;、x += 1;、++x;

第 2 章

sqrt、exp、sin、abs

util::sqrt、util::exp、util::sin、util::fabs

util:: の関数は float と double の両方に対応し、GPU でも呼べます

第 2 章、第 9 章

max(a, b)、min(a, b, c)

util::max2(a, b)、util::min3(a, b, c)

第 2 章

sign(a, b)

util::copysign(a, b)

第 2 章

write(str, '(i8.8)') n（0 で埋める）

util::zfill(n, 8)

出力ファイル名に使います

第 2 章

4. 制御文

Fortran

C++・MISO

注意

説明

if (c) then 〜 else if 〜 else 〜 end if

if (c) { } else if (c2) { } else { }

条件は ( ) で囲みます

第 2 章

do i = 1, n

for (int i = 0; i < n; ++i)

0 から始まり、上限 n を含みません。回数は同じ n 回です

第 2 章

do i = n, 1, -1

for (int i = n - 1; i >= 0; --i)

第 2 章

do while (t < tend)

while (t < tend) { }

MISO の時間ループは ModelBase::run の while (time.time < time.tend)

第 2 章、第 11 章

exit、cycle

break、continue

C++ の continue は「次の回へ進む」で、Fortran の continue 文（何もしない）とは別物です

第 2 章

select case (d) 〜 case (1)

switch (d) { case Direction::X: ...; break; }

各 case の最後に break がないと、次の case も実行されます

第 2 章

#ifdef で処理を選ぶ（コンパイル時）

#ifdef、または if constexpr

if constexpr は型や定数で選び、選ばれなかった側はコンパイルされません

第 2 章、第 6 章

5. 配列

5.1 宣言と確保

Fortran

C++・MISO

注意

説明

real, allocatable :: a(:,:,:) と allocate(a(nx, ny, nz))

Array3D<Real> a(nx, ny, nz);

宣言と確保が同時です。Array3D<Real, backend::CUDA> なら GPU 上に確保します

第 7 章

deallocate(a)

不要

a の寿命が終わるとデストラクタが解放します

第 4 章、第 7 章

real :: a(n)（1 次元）

Array1D<Real> a(n);、std::vector<Real> a(n);

第 2 章、第 7 章

real :: q(nx, ny, nz, 9)（変数を 4 番目の添字に並べる）

Fields の 9 つのメンバ ro, vx, ... ph（それぞれ Array3D）

MISO は変数ごとに別の配列を持ちます（miso/include/miso/mhd_fields.hpp）

第 4 章、第 11 章

size(a)、size(a, 1)

a.size()、a.extent(0)

次元の番号も 0 から数えます

第 7 章

5.2 添字の始まりとゴーストセル

Fortran

C++・MISO

注意

説明

a(1) が最初の要素

a(0) が最初の要素

第 2 章、第 7 章

real :: a(1-m:nx+m)（下限を決めてゴーストセルを持つ）

添字は常に 0 から i_total - 1。内部の格子点は i_margin から i_total - i_margin - 1

MISO の配列は下限を変えられません。i_total = i_size + 2 * i_margin です（miso/include/miso/grid.hpp）

第 8 章

do i = 1, nx（内部の格子点）

for (int i = grid.i_margin; i < grid.i_total - grid.i_margin; ++i)

第 8 章、第 11 章

5.3 メモリ上の並び

Fortran は最初の添字が連続（列優先、column-major）、MISO の Array3D は最後の添字が連続（行優先、row-major）です。 同じ a(i, j, k) と書いても、メモリ上で隣にある要素が違います。

Fortran の a(i, j, k)

MISO の a(i, j, k)

メモリ上で隣の要素

a(i+1, j, k)

a(i, j, k+1)

速く回すループ（最も内側）

i

k

要素の位置（a(nx, ny, nz)）

i + nx*(j + ny*k)（0 始まりに直した場合）

(i*ny + j)*nz + k

次の短いプログラムは、MISO の Array3D で要素がメモリの先頭から何番目にあるかを表示します（説明用の例）。

// order.cpp: check the memory layout of Array3D
#include <iostream>

#include <miso/array3d.hpp>

int main() {
  miso::Array3D<double> a(2, 3, 4);  // a(i, j, k): i < 2, j < 3, k < 4
  const double *p = a.data();       // address of the first element
  // difference between an element's address and the first address = offset from the start
  std::cout << "a(0,0,1): " << &a(0, 0, 1) - p << "\n";
  std::cout << "a(0,1,0): " << &a(0, 1, 0) - p << "\n";
  std::cout << "a(1,0,0): " << &a(1, 0, 0) - p << "\n";
  std::cout << "a(1,2,3): " << &a(1, 2, 3) - p << "\n";
}

a(0,0,1): 1
a(0,1,0): 4
a(1,0,0): 12
a(1,2,3): 23

k を 1 増やすと隣（1 番目）、j を 1 増やすと 4 個先、i を 1 増やすと \(3 \times 4 = 12\) 個先です。 Fortran で同じ大きさの配列 a(2, 3, 4) を作ると、a(2, 1, 1) が先頭から 2 番目（1 始まり）になり、i の方向が連続します。 MISO の出力ファイル（mhd/mhd.*.bin）もこの並びで書かれるので、Fortran や NumPy で読むときは添字の順に注意します。

5.4 配列の式と部分配列

Fortran

C++・MISO

注意

説明

a = 0.0（配列全体への代入）

ループ、または for_each

C++ の配列型に、配列全体の演算の書き方はありません

第 7 章

a(:,:,:) = b(:,:,:)

a.copy_from(b);

CPU と GPU の間のコピーにも使います

第 7 章、第 9 章

maxval(a)、minval(a)、sum(a)

reduce(btag, range, init, map, op)

最小値なら op に util::min2 を使います

第 7 章

where (a < 0) a = 0

ループの中の if

第 7 章

部分配列を引数に渡す call s(a(:, :, k))

View（Array3DView など）を渡すか、添字の範囲を引数で渡す

MISO の View は配列全体を指す軽い窓です。部分配列を切り出す機能はありません

第 4 章、第 7 章

6. 手続き（subroutine・function）

Fortran

C++・MISO

注意

説明

subroutine s(a, b) と call s(a, b)

void s(T a, U b) { } と s(a, b);

戻り値のない関数です

第 2 章

function f(x) result(y)

Real f(Real x) { return y; }

戻り値の型を名前の前に書き、return で返します

第 2 章

引数は参照で渡す（既定）

引数は値で渡す（既定）。参照で渡すには T &a

void s(Real a) の中で a を変えても、呼び出し側の変数は変わりません

第 3 章

intent(in)

小さな値は値渡し（Real x）、大きなものは const T &x

const の付いた参照は、コピーせず、書き換えも禁止します

第 3 章

intent(out)、intent(inout)

T &x

第 3 章

optional と present(x)

既定の引数 void s(int n = 1)、std::optional<T> と has_value()、value_or()

parse_config_filepath は std::optional<std::string> を返します（miso/include/miso/config.hpp）

第 2 章、第 4 章

interface で同じ名前に複数の手続きを束ねる（総称名）

同じ名前で引数の型が違う関数を定義する（オーバーロード）、テンプレート

space_centered_4th は配列 1〜3 個の 3 通りがあります（miso/include/miso/mhd_integrator.hpp）

第 2 章、第 6 章

interface で外部手続きの引数の形を書く（明示的引用仕様）

関数の宣言（ヘッダに書く）

第 2 章

real 版と real(8) 版を別々に書く

関数テンプレート template <typename Real> Real f(Real x)

1 つの定義から型ごとの関数が作られます

第 6 章

pure、elemental

__host__ __device__ inline の関数を for_each の中で呼ぶ

GPU から呼ぶ関数には __host__ __device__ を付けます

第 7 章、第 9 章

recursive

不要

C++ の関数は、そのまま自分を呼べます（merge_yaml）

第 11 章

contains の内部手続き

ラムダ式 [=](int i) { ... }、MISO では MISO_LAMBDA(int i) { ... }

周りの変数をコピーして持ち込みます（キャプチャ）

第 7 章

手続きを引数に渡す（external、手続き仮引数）

関数オブジェクトやラムダを引数に渡す（for_each(btag, range, f)）

第 7 章

7. module と use

Fortran

C++・MISO

注意

説明

module m 〜 contains 〜 end module

ヘッダファイルと namespace miso { ... }

名前の衝突を避ける役割は名前空間、中身を共有する役割は #include が担います

第 2 章

use m

#include <miso/core.hpp> と using namespace miso;

using namespace を書かなければ miso::Config のように名前空間付きで書きます

第 2 章

use m, only: f

using miso::limiter::dqq_eval;

1 つの名前だけを使えるようにします（miso/include/miso/mhd_artificial_viscosity_host.hpp）

第 2 章

サブモジュールや入れ子の分類

入れ子の名前空間 miso::mhd、miso::util

第 2 章

private（module の中だけで使う）

慣習として impl_host などの名前空間に置く

名前空間には private がありません。クラスのメンバには private があります

第 2 章、第 4 章

module 変数（プログラム全体で 1 つ）

名前空間の inline 変数

MPI のランクは mpi::world::rank（miso/include/miso/env.hpp）

第 2 章、第 8 章

save 属性の局所変数

static の局所変数

第 2 章

8. 派生型

Fortran

C++・MISO

注意

説明

type :: t 〜 real :: x 〜 end type

struct T { Real x; };

第 4 章

type(t) :: a と a%x

T a; と a.x

成分の参照は % ではなく . です。ポインタ経由なら p->x

第 4 章

構造体構成子 a = t(1.0)

コンストラクタ T a(1.0);

初期化子リスト : x(x_) でメンバを初期化します

第 4 章

型束縛手続き procedure :: apply と call a%apply()

メンバ関数 void apply() const; と a.apply();

const メンバ関数はメンバを書き換えません

第 4 章

final 手続き

デストラクタ ~T()

寿命の終わりに自動で呼ばれます

第 4 章

extends(t)（型の拡張）

継承 struct U : public T { };

第 5 章

class(t) の多態と deferred 手続き

仮想関数 virtual、または CRTP

MISO は仮想関数を使わず、ModelBase<Model, Real, Backend> の CRTP で派生クラスの部品を呼びます

第 5 章

パラメータ化派生型 type t(k)

クラステンプレート template <typename Real> struct T

第 6 章

9. pointer と allocatable

Fortran

C++・MISO

注意

説明

仮引数の別名（引数で受けた配列を書き換える）

参照 T &r = a;

参照は作ったときに指す先が決まり、付け替えられません

第 3 章

real, pointer :: p と p => x（target 属性）

Real *p = &x; と *p

&x はアドレス、*p は指す先の値。宣言と式で *, & の意味が変わります

第 3 章

nullify(p)、associated(p)

p = nullptr;、p != nullptr

第 3 章

配列ポインタで配列を指して渡す

View（a.view()、a.const_view()）

View は確保・解放をしない軽い窓で、ラムダにコピーして GPU にも渡せます

第 4 章、第 7 章

allocatable の成分を持つ派生型

Array3D などをメンバに持つ構造体（Fields）

コピーは禁止または明示（copy_from）です

第 4 章

allocate した pointer の deallocate 忘れ

new/delete を直接書かず、Array3D や std::unique_ptr に持たせる

第 3 章

10. 入出力とエラー処理

Fortran

C++・MISO

注意

説明

print *, x、write(*,*) x

std::cout << x << "\n";

第 2 章

namelist で設定を読む

YAML の設定ファイルと Config（config["time"]["tend"].as<Real>()）

書かなかった値は config_defaults.hpp の既定値で補います

第 11 章

open(..., form='unformatted', access='stream') と write(u) a

std::ofstream ofs(name, std::ios::binary); と ofs.write(...)

MISO の出力は miso/include/miso/mhd_checkpoint.hpp

第 11 章

iostat で失敗を調べる

if (!ofs.is_open())、if (!ofs)

第 11 章

stop、error stop

throw std::runtime_error("...")、MPI 全体を止めるなら MPI_Abort

MISO では、実行時のエラーを例外で知らせます

第 2 章

ファイル名を文字列で連結する

std::filesystem::path と /

fs::path(dir) / "config.yaml" のように書きます

第 2 章

11. MPI

Fortran

C++・MISO

注意

説明

use mpi、include 'mpif.h'

#include <mpi.h>

第 8 章

call MPI_Init(ierr) 〜 call MPI_Finalize(ierr)

Env env(argc, argv);（MPI_Init(&argc, &argv) を呼び、寿命の終わりに MPI_Finalize）

第 8 章

最後の引数 ierr

関数の戻り値

C++ では ierr を引数に書きません

第 8 章

MPI_COMM_WORLD

MPI_COMM_WORLD、MISO では mpi::comm()

第 8 章

MPI_REAL、MPI_DOUBLE_PRECISION

MPI_FLOAT、MPI_DOUBLE。MISO では mpi::data_type<Real>()

Real に合わせて選ばれます（miso/include/miso/mpi_util.hpp）

第 6 章、第 8 章

call MPI_Allreduce(dt, dtg, 1, MPI_REAL, MPI_MIN, MPI_COMM_WORLD, ierr)

MPI_Allreduce(&dt, &dtg, 1, mpi::data_type<Real>(), MPI_MIN, mpi::comm());

スカラーは &dt でアドレスを渡し、配列は a.data() で先頭のアドレスを渡します

第 3 章、第 8 章

integer :: req(12)、MPI_STATUSES_IGNORE

MPI_Request reqs[12];、MPI_STATUSES_IGNORE

第 8 章

use mpi_f08 の type(MPI_Comm)

MPI_Comm

第 8 章

ランク番号、MPI_Cart_coords の座標

同じ

ランクと座標は Fortran でも 0 から始まります

第 8 章

MPI_Cart_create、MPI_Cart_shift、MPI_PROC_NULL

同じ関数（mpi::Shape）

周期境界の方向では、端の隣が反対側の端になります

第 8 章、第 11 章

12. 並列化の指示文とビルド

Fortran

C++・MISO

注意

説明

!$omp parallel do

for_each(backend::Host{}, range, f)

MISO は OpenMP を使いません。CPU 版の for_each はふつうの for 文です

第 7 章

!$omp parallel do reduction(min:dt)

reduce(btag, range, init, map, op)

第 7 章

!$acc parallel loop、CUDA Fortran のカーネル

for_each(backend::CUDA{}, range, f) と MISO_LAMBDA

同じラムダが CPU と GPU の両方で動きます

第 9 章

!$acc data copyin(a)、update host(a)

Array3D<Real, backend::CUDA> と copy_from

第 9 章

-DUSE_CUDA などのマクロ

同じ（#ifdef USE_CUDA）。CMake では target_compile_definitions

第 1 章、第 2 章

Makefile

CMakeLists.txt と cmake -B build -S .、cmake --build build

第 1 章

mpif90

mpicxx（CMake では find_package(MPI)）

第 1 章

ここまでの書き方を組み合わせた計算は、第 10 章 の熱伝導で自分で書き、第 11 章 で MISO 本体の時間発展として読みます。