派生数据类型

数据结构是指若干个数据的连接方式，一个复杂的数据往往是由若干个不同类型数据形成的结构。派生类型是指用户利用FORTRAN系统内部类型，如数值型、逻辑型、字符型等自行设计出一个新的数据类型，它们实际上是由内部类型数据形成的某种结构。本章主要目的是学会按复杂数据的客观结构形态，由程序员定义出一种派生类型，再结合上将在后面叙述的模块后，可将该类型必需的操作写成内部子程序，连同派生类型一起写在模块中，供程序各单元共同使用，成为数值计算特别是信息管理的有力工具。

4.3.1 数据结构

实际生活中的数据，不像数学上的那么理想，只是一个整数、一个实数或一串字符等，实用的数据往往是由许多单一数据彼此联系而形成一种结构。例如数组就是由许多数按前后次序排列的一种数据结构，也即数据是一种数据结构，数组名就结构名。但是数组这种结构有局限性，它一定要求结构内所有成员都是同一种内部类型：或者都是整型，或者都是逻辑型，等等。对于成员有的是整型、有的是字符的数据结构，就不能用数组结构表示，必须由程序员自行定义派生类型。

本节不讨论数据结构的严密定义，而是通过实例树立数据结构的概念，设计出能反映复杂数据结构的新类型并加以操作。如输入一个班30个学生的姓名及成绩，由于姓名是字符型，成绩是整型，而数据成员只能是一种类型，因此要把姓名作一数组，成绩另作一数组，排名次时要分别作相应调整，非常不便。如果能设计出一种新的派生类型，该类型既包含字符型成员，又有整型成员，再以新类型数据组成一个数组（它们都是同一个派生类型，可以组成数组）就可以在输人输出时只写一个数组名就可既传递人名又传递成绩，非常方便。

一个数据结构由若干数据组成，每个组成部分称为该结构的成员。表示结构中成员的一股形式：结构名％成员名。即在所属结构名后写一个百分号（％）而后写出成员本身名称。这样的成员可以像访问变量一样被访问，包括赋值、打印、引用等。

学生(结构型)

STUDENT

学号(整型)

NUMBER

班级(结构型)

CLASS

姓名(字符型)

NAME

成绩(结构型)

SCORES

地址(字符型)

ADDRESS

系(字符型)

DEPARTMENT

专业(字符型)

MAJOR

数学(整型)

MATH

物理(整型)

PHYSICS

英语(整型)

ENGLISH

设一个学生记录为一个结构，内由学号、班级、姓名、宿舍、成绩等有关信息组成，它们分别为不同类型。有些成员下还可再由若干数据组成，如图71所示。边注的英文名是程序中所取的该成员的名称。在程序中，如要访问整个学生结构，只要在被访问处写上结构名，即写上STUDENT。访问其中成员，如成员是一个简单数据，例如学生姓名，则在程序中被访问处写上STUDENT％NAME即可。访问成员中结构成员下的简单数据，则用两个％表示。如访问学生所在系，则在被访问处写STUDENT％CLASS％DEPARTMENT。第2个百分号表示DEPARTMENT是CLASS的成员。如果DEPARTMENT下面还有成员，要访问这些成员时后面还需加上‘％成员名’。

4.3.2 派生类型

为了便于组织数据，F90允许定义和使用派生数据类型。任何复杂的数据结构，经分析后都可分解为较简单的成员，可用自定义的派生类型反映它。派生数据类型有一个类型名称，它不能和任何内部数据类型或已定义的派生数据类型重名。定义一种派生数据类型后就可以用它来定义变量、命名常量或其它派生类型了。

a) 派生类型定义

定义派生类型时必须使用TYPE块。TYPE块应写在程序的说明部分中，通常写在说明的前部，其一般形式是：

TYPE[,访问属性说明::] 派生类型名

成员1类型说明

……

成员n类型说明

END TYPE [派生类型名]

其中，TYPE是关键字，表示派生类型定义开始。访问属性说明关键字是PUBLIC或PRIVATE，默认值是PUBLIC，即访问方式是共用的。PRIVATE表示该类型是专用的，这个关键字只有当TYPE块写在模块说明部分中时，才允许使用。如果不是在模块内定义的派生类型，不可使用PRTVATE。派生类型名是任意取的，一旦定义完成，该类型名就成为一个新的类型，就像整型、实型、逻辑型等一样，按一种类型使用。例如可以把各种变量、各种数组说明为这种新的类型，而后按新类型特有法则操作。通常，类型的取名与物理对象的名称一致。例如上述学生结构定义成派生类型可以取派生类型名是STUDENT。

TYPE语句下面是结构中各成员的类型说明语句，被说明的类型一般就是FORTRAN内部类型（整型、实型等），也允许用一个层次较低的派生类型作为某成员的类型。派生类型的说明语句的一般形式是：TYPE(派生类型名)::变量名。TYPE块中只有类型说明语句，不允许有可执行的动作语句。派生类型中字符型成员不可取*为长度，必须是确定长度。系统不一定会按定义时的顺序储存各个成员，除非在定义中包含有SEQUENCE语句。

例如：对上面的学生记录作派生定义，由于学生结构中有两个成员CLASS与SCORES本身又是次一层的结构，因此要先对CLASS与SCORES这两个结构作出派生类型定义。CLASS下有两个成员：DEPARTMENT(字符型)、MAJOR(字符型)。SCORES下有三个成员：MATH(整型)、PHYSICS(整型)、ENGLISH(整型)。整个学生结构定义派生类型名为STUDENT_TYPE。

TYPE CLASS_TYPE

CHARACTER(LEN=50) :: DEPARTMENT, MAJOR

END TYPE CLASS_TYPE

TYPE SCORES_TYPE

INTEGER(1) :: MATH, PHYSICS, ENGLISH

END TYPE SCORES_TYPE

TYPE STUDENT_TYPE

SEQUENCE

INTEGER(4) :: NUMBER

TYPE(CLASS_TYPE) :: CLASS

CHARACTER(LEN=10) :: NAME, ADDRESS

TYPE(SCORES_TYPE) :: SCORES

END TYPE STUDENT_TYPE

TYPE(STUDENT_TYPE),DIMENSION(40):: STUDENT

注意在上面三个定义派生类型TYPE语句中，派生类型名取成‘名_TYPE’形式，这是为了加强可读性。特别是当它的成员名与类型名一致时，可以这样区分。当给定属性DIMENSION(40)后，STUDENT即为有40个学生的派生型数组，每个学生按顺序有学号、班级(系、专业)、姓名、地址、成绩(数学、物理、英语)等成员。

b) 缺省初始化

F95中，允许定义派生数据类型成员时给予初始值，这时就有了缺省初始化，但没有必要为每一个成员指定初始值。它的显式初始化会覆盖缺省初始化。例如：

TYPE REPORT

CHARACTER (LEN=20) REPORT_NAME

INTEGER DAY

CHARACTER (LEN=3) MONTH

INTEGER :: YEAR = 1999 ! 年份这个成员有缺省初始值

END TYPE REPORT

而下面语句中，显式的初始化覆盖了NOV_REPORT中的YEAR成员。

TYPE(REPORT),PARAMETER :: NOV_REPORT=REPORT("Sales",15,"NOV",2001)

又如，下面用DATA语句进行显式初始化：

TYPE EMPLOYEE

INTEGER ID

CHARACTER(LEN=40) NAME

END TYPE EMPLOYEE

TYPE(EMPLOYEE) MAN_NAME,CON_NAME

DATA MAN_NAME/EMPLOYEE(417,'Henry Adams')/

DATA CON_NAME%ID,CON_NAME%NAME /891,"David James"/

c) 结构构造函数

F90有一种与结构有关的函数，称为结构构造函数，它用来给某结构类型中一个具体的变量赋值。定义了一个派生类型，实际上也同时建立了一个结构构造函数，这个函数名就是派生类型名，函数的自变量就是派生类型内各成员。只要派生类型一建立，就可直接调用这个结构构造函数。如果把实在的各成员值作为实元，与结构构造函数中自变量作哑实结合，其函数值就是被定义成派生类型的一个变量的值，可以直接赋给派生类型中的某一变量名。例如，对下面的派生类型：

TYPE FRIEND_TYPE

CHARACTER(LEN=20) :: NAME

INTEGER :: AGE

END TYPE FRIEND_TYPE

系统中就自动生成一个函数名叫FRIEND_TYPE的结构函数，该函数有两个哑元自变量：NAME、AGE。其完整的函数形式为：FRIEND_TYPE(NAME,AGE)。假设变量名MY_FRIEND被说明为FRIEND_TYPE类型，即程序中有说明语句：

TYPE(FRIEND_TYPE) :: MY_FRIEND, MY_BOY_FRIEND, MY_GIRL_FRIEND

于是可把‘Kong Ming’作为NAME的实元，25作为AGE的实元，在程序执行部分中调用结构构造函数，并把函数值赋给变量WHO，赋值语句为：MY_FRIEND＝FRIEND_TYPE（‘Kong Ming’，25）。此时具有FRIEND_TYPE类型的变量MY_FRIEND就有了NAME成员值和AGE成员值。

调用结构构造函数作哑实结合时，只要保持类型、个数、位置一致，可以有多种形式的实元与哑元结合。譬如实元可以又是另一低层次结构的结构构造函数，或另一个结构的成员等。如回到前面较复杂的学生结构例中，设已定义派生类型 STUDENT_TYPE，并说明了变量名ZHANG_FEI是STUDENT_TYPE类型的，而后我们在执行部分中对ZHANG_FEI的成员CLASS通过如下赋值语句赋值：

ZHANG_FEI％CLASS=CLASS_TYPE（‘22th Department’，‘Applied Physics’）

这里引用CLASS_TYPE的结构构造函数，说明变量 ZHANG_FEI的班级是22系应用物理专业，也即ZHANG_FEI％CLASS已经有定义。因此接着可以把ZHANG_FEI％CLASS作为结构构造函数STUDENT_TYPE的实元，把整个函数值赋给变量ZHANG_FEI：

ZHANG_FEI=STUDENT_TYPE(0022123,ZHANG_FEI％CLASS,&

‘ZHANG_FEI’，‘He Fei’，SCORES_TYPE(82,73,90))

使用结构构造函数可以非常方便地给具有这种结构的变量赋值，如果若干变量形成一个数组，就可打印出一份详细的档案，并可按照需要排序及检索。

d) 应用

例：利用成员特征作排序检索。如果上面40个学生姓名和成绩已经读入，要查找名叫张飞的成绩并打印输出，并列出数学成绩在85分以上的名单。将前面的派生类型定义简化后为：

PROGRAM STUDENT_IO

TYPE SCORES_TYPE

INTEGER(1) :: MATH, PHYSICS, ENGLISH

END TYPE SCORES_TYPE

TYPE STUDENT_TYPE

CHARACTER(LEN=10) :: NAME

TYPE(SCORES_TYPE) :: SCORES

END TYPE STUDENT_TYPE

TYPE(STUDENT_TYPE),DIMENSION(40):: STUDENT

READ‘(A,3I3)’, STUDENT

DO I=1,40

IF(STUDENT(I)％NAME=‘Zhang Fei’) PRINT *,STUDENT(I)％SCORES

END DO

DO I=1,40

IF(STUDENT(I)％SCORES%MATH>=85) PRINT *,STUDENT(I)％NAME

END DO

END PROGRAM STUDENT_IO

例：建立一个计算机帐户的数据库，根据用户号码查找其帐上余额并显示。[e_432_01.f90]

例：建立一个学生的数据库，包含有学生姓名和考分的记录。从键盘上输入这些记录，并将它们放入一直接存取的文件中，要求可以显示、增加和修改记录。[e_432_02.f90]

【作业】

[4.1] 对任意读入的100个英文字母（可以从书中任选一段），计算字母e出现的频率，打印输出。

[4.1] 设机内已设有口令“physics”，编一程序，能提示用户键入口令字(Password)，再把用户键入的口令与physics作比较，若符合则继续，否则提示“口令错误，重新键入”

[4.1] 利用派生类型编一数据结构程序，描述本班同学个人拥有的微机的硬件指标，包括：（购买者、购买价、购买日期）、（CPU时钟频率、CPU芯片厂家）、（硬盘容量、内存大小）、（显示器尺寸、显示器类型）、是否DVD光驱、微机品牌。按时钟频率及购买价排序并打印。