从 Fortran 90 调用用 C 编写的客户端程序

Question

这是this question 的后续问题。

我正在尝试从下面看到的 Fortran 90 程序调用一个用 C 编写的客户端。

program name
implicit none

    ! type declaration statements
    character indata, ipaddr, ans, calc
    integer portno
    indata = "INDATA"
    ipaddr = "localhost"
    portno = 55555

    ! executable statements
    print *, indata
    ans = calc(indata, ipaddr, portno)
    print *, ans

end program name

我的 C 程序如下所示

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h> 


/*
int main()
{
    calc_("1 2 add", "localhost", 55555);
    return 0;
}
*/

void error(char *msg)
{
    perror(msg);
    exit(0);
}

int calc_(char *indata, char *ipaddr, int *in_portno)
{
    int sockfd, portno, n;

    struct sockaddr_in serv_addr;
    struct hostent *server;

    char buffer[256];
    portno = in_portno;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) 
        error("ERROR opening socket");

    server = gethostbyname(ipaddr);
    if (server == NULL) {
        fprintf(stderr,"ERROR, no such host\n");
        exit(0);
    }

    memset(((char *) &serv_addr), 0, (sizeof(serv_addr)));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    memcpy(((char *)server->h_addr),
           ((char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr),
           (server->h_length));
    serv_addr.sin_port = htons(portno);

    if (connect(sockfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr)) < 0) 
        error("ERROR connecting");

    memset((buffer), 0, (256));
    strcpy(buffer, indata);    
    //fgets(buffer, 255, *indata);
    n = write(sockfd, buffer, strlen(buffer));
    if (n < 0) 
         error("ERROR writing to socket");
    memset((buffer), 0, (256));
    n = read(sockfd,buffer,255);
    if (n < 0) 
         error("ERROR reading from socket");
    printf("%s\n",buffer);
    return 0;
}

在 C 程序中有一个注释掉的主程序。如果使用 main，一切正常（在 localhost 上运行的服务器回复：3，这是预期的），但是当我尝试运行如上所示的程序时，使用 makefile：

# Use gcc for C and gfortran for Fortran code.
CC=gcc
FC=gfortran

calc : calcf.o fclient.o
    $(FC) -o calc calcf.o fclient.o

fclient.o : fclient.c
    $(CC) -Wall -c fclient.c

calcf.o: calcf.f90
    $(FC) -c calcf.f90

我收到以下错误消息打印到标准输出。

 1 //[author's comment], this 1 is from the "1 2 add" printed in the .f90 program

Program received signal SIGSEGV: Segmentation fault - invalid memory reference.

Backtrace for this error:
#0  0x7fd8e9c9430f in ???
#1  0x7fd8e9d6816f in ???
#2  0x7fd8e9d59677 in ???
#3  0x400e0a in ???
#4  0x400cdd in ???
#5  0x400d81 in ???
#6  0x7fd8e9c81740 in ???
#7  0x400b68 in ???
#8  0xffffffffffffffff in ???
zsh: segmentation fault (core dumped)  ./calc

我能够理解我正在以某种方式访问​​受限内存，或者程序不应该修改的内存，但我无法看到这是在哪里发生以及为什么它只是当我从 .f90 程序调用 calc_ 时的情况。

Answer 1

在 Fortran 2003 中引入的 C 互操作工具之前，从 Fortran 调用外部 C 函数需要特定于目标环境和所涉及的编译器的技巧。此外，如果所讨论的 C 函数并非专门设计为可由相关的 Fortran 编译器生成的代码调用，那么通常需要编写一个包装函数（用 C 语言）来弥合差距。

要克服的主要问题是

• name mangling：在 Fortran 源代码中引用函数的名称通常与链接器必须链接的名称不同。通常会引入一个或多个附加下划线，并且通常会将函数名称放入标准大小写（通常是小写，但某些编译器使用大写）。

• 参数类型：一些 Fortran 参数类型根本无法干净地传递，至少在没有相关 Fortran 实现的详细知识的情况下不能。假定形状的数组、数组部分和具有allocatable 或pointer 属性的数组通常会出现问题。

• 类型的表示：这里最大的是数组索引顺序。 Fortran 数组按列优先顺序索引，而 C 数组按行优先顺序索引。这对于 passing 数组来说不一定是个问题（但见上文）；相反，它提出了在通话的一侧和另一侧正确使用它们的问题。这里的另一个大问题是 Fortran character 对象（字符串）不是以空值结尾的。相反，每个都有一个包含在值表示中的固定长度。这通常在 C 函数接口中通过传递两个实际参数、一个指向 char 数组开头的指针和一个长度来实现，但也使用了其他形式。

• 函数调用语义：Fortran 通过引用传递所有参数。这通常表现为一个 C 函数接口，其中参数都是指针，除了上面描述的字符串长度参数（因为 Fortran character 对象具有 固定 宽度）。

• 参数顺序：Fortran 可调用的 C 函数通常使用与 Fortran 端调用预期使用的参数顺序相同的参数顺序，但这是不能保证的，无论如何字符串长度的参数并不完全适合。一些 Fortran 编译器在相应的指针之后立即传递它们；其他人将所有字符串长度参数分组在参数列表的末尾。 （当然，这不考虑那些使用完全不同的机制来表示字符串参数的那些。）

可以想象我忽略了一些东西。

几乎所有这些都具有实质性的实现依赖关系，但人们在 Fortran 90 构思之前就一直在 Fortran 和 C 之间来回调用，并且他们继续这样做。如果您没有可依赖的标准化 C 互操作的好处，那么您需要了解 Fortran 编译器如何生成代码的一些细节。为此有各种自动化工具，包括在 GNU Autoconf 中，或者您可以参考文档甚至进行实验。

对于它的价值，您似乎有几个问题，一些在上述领域，一些完全在 Fortran 部分。在 Fortran 部分中特别值得注意的是，您没有为 character 变量声明长度，因此它们都获得默认长度 (1)。这显然不是你想要的。在函数调用中，你也被 Fortran 绊倒了，因为它不使用以 null 结尾的字符串，并且它为字符串长度传递了额外的参数。

但是 Fortran 2003 现在已经 13 岁了，并且 C 互操作位被广泛实现，包括在 gfortran 中，您的 Makefile 显示它是您的 Fortran 实现。 gfortran 文档涵盖了 C interop 相当彻底。这个已经很长的答案太多了，但关键点包括：

• 用自然 C 写 C 部分。
• 使用ISO_C_BINDING 模块。
• 将 Fortran interface 写入 C 函数，适当地定义形式参数和返回类型，包括适当的 kind 属性（取自 ISO_C_BINDING 作为参数提供的值）
• 将bind(C) 属性应用于必须与C 互操作的符号

Answer 2

这里有一些来自GNU gfortran documentation：

字符串在 C 和 Fortran 中的处理方式完全不同。在 C 中，字符串是一个以 NUL 结尾的字符数组，而在 Fortran 中，每个字符串都有一个与之关联的长度，因此不会被终止（例如 NUL）。例如，如果要使用以下 C 函数，

       #include <stdio.h>
       void print_C(char *string) /* equivalent: char string[]  */
       {
          printf("%s\n", string);
       }

从 Fortran 打印“Hello World”，可以使用

       use iso_c_binding, only: C_CHAR, C_NULL_CHAR
       interface
         subroutine print_c(string) bind(C, name="print_C")
           use iso_c_binding, only: c_char
           character(kind=c_char) :: string(*)
         end subroutine print_c
       end interface
       call print_c(C_CHAR_"Hello World"//C_NULL_CHAR)

如示例所示，需要确保字符串以 NUL 结尾。此外，print_C 的虚拟参数 string 是一个长度为 1 的假定大小数组；不允许使用字符（len=*）。上面的示例使用c_char_"Hello World" 来确保字符串文字具有正确的类型；通常默认字符类型和c_char 是相同的，因此“Hello World”是等价的。但是，该标准不保证这一点。