1、第十章 指针 指针是现代程序设计语言中一个非常重要的概念，它使语言的功能大大加强。FORTRAN90以前的FORTRAN版本，没有指针这种数据类型，FORTRAN90对其作了重大改进，引入了指 针 的 概 念 。 但 是 值 得 注 意 的 是 ，FORTRAN90的指针与C语言中的指针并不相同，因为它并不代表一个变量的地址，而是代表一个变量的别名，实质上它相当于C+里的引用，本章介绍指针的概念与应用。10.1 指针的定义与使用 在前面内容中，变量的使用，都是按变量的名字即标识符直接进行的，并且每个变量的名字都是唯一的，是否可以给同一个变量一个不同的名字？FORTRAN90中的指针，正是用来给
2、变量起别名，并且通过后面的章节的学习，我们知道指针能给编程带来诸多的方便。10.1.1 指针变量的定义格式 指针变量的定义格式为：类型说明，POINTER：指针变量名1，指针变量名2，其中：（1）类型说明可以是任何数据类型，如INTEGER、REAL等，它表示该指针所指的目标变量类型。（2）POINTER为指针定义的关键字,：为作用域符。（3）指针变量名为标识符，只要符合标示符的命名规则即可。例如INTEGER，POINTER：A1,A2此语句定义了两个指针变量A1和A2，它们都指向整型变量。 可以将类型说明与指针说明分开，即先说明变量的类型，然后指定变量为指针。例如INTEGER A1,A2
3、POINTER A1,A2此语句同样定义了整型两个指针变量A1和A2。 10.1.2、指针变量的使用 下面通过一个具体的实例来说明指针变量的使用：例10.1指针变量示例1PROGRAM POINTER1INTEGER,POINTER:PINTEGER,TARGET: XREAD*,XP=XPRINT*,X=,XPRINT*,P=,PEND输入3，程序的输出结果为：X=3P=3此例中，先定义了一个指针变量P，然后定义了一个整型变量X，再通过P=X语句，使P指向X，这时两者实际上是同一个变量，就象一个人除了自己的名字外，还有外号一样。因此，无论输入的是什么整数，两者显示的结果一样。X和P的关系如图
4、10.1所示X 5P 图10.1下面再看一个例子例10.2PROGRAM POINTER3 INTEGER, POINTER:P1,P2,P3,P4INTEGER,TARGET: X1,X2INTEGER X,S1,S2,S3,S4,S5READ*,X1,X2X=X1*X2P1=X1P2=X2P3=X1P4=P1S1=P1*P2S2=P3*P2S3=P1*X2S4=P3*X2S5=P4*X2PRINT*,X=,XPRINT*,S1=,S1PRINT*,S2=,S2PRINT*,S3=,S3PRINT*,S4=,S4PRINT*,S5=,S5END输入：3 4后，输出结果为：X=12S1=12S
5、2=12S3=12S4=12S5=12在该例中，定义了四个指针变量：P1,P2,P3,P4，通过P1=X1，使P1指向X1，P2=X2使P2指向X2，再通过P3=X1和P4=P1，使P3和P4都指向X1，因此，X、S1、S2、S3、S4、S5计算结果一样，实际上都是X1+X2。下面用图表示X1、X2、P1、P2、P3、P4的关系如图10.2、10.3所示：X1(1) 指针变量赋值格式为：指针变量=目标变量或者另一指针变量。(2) 多个指针变量可以指向同一目标变量，但是，一个指针变量只能指向一个目标变量，不能同时指向多个目标变量。(3) 指针变量与目标变量的类型应当严格一致，不存在所谓的兼容情况
6、，即，整型指针变量所指的只能是整型变量，而不能是实型变量等。(4) 指针变量的本质是所指变量的别名，两者在编译时会当作同一变量，指针变量的引用实际上是对目标变量的引用。 (5) 在程序中，指针变量通常有以下三种状态： 未定义状态，在程序开始时，所有的指针都处于这种状态。 空状态，此时指针还没有作为任何对象的别名。在程序中，有时为了方便起见，可以让指针指向一个空对象。其语句为：NULLIFY（指针变量名）。 关联状态，此时，指针已经作为其他对象的别名。值得注意的是只有在第三种状态时，指针才能参与运算，否则，或者编译出错，或者非法操作。10.2 动态变量 前面已介绍过，变量的本质是一个内存单元，该
7、单元一般是在变量定义时，就已经分配的，以后在程序运行期间不再改变，但是通过指针，可以先得到变量名，然后再利用ALLOCATE(P)函数可以动态分配其空间，其中P为指针变量。下面通过一个具体实例，来了解其使用方法。 例10.3PROGRAM POINTER3 INTEGER,POINTER:PALLOCATE(P)P=4PRINT*,P=,PEND输出结果为：P=4 在该例中，先定义了一个指针变量P，然后利用ALLOCATE(P)函数，为P分配空间，再给P赋值。必须注意的是：如果去掉ALLOCATE(P)语句，则该程序运行时会出现错误，因为指针在未指定目标时是虚的，不能引用。一般而言，ALLOC
8、ATE函数总是与DEALLOCATE函数配套使用，因为用动态分配函数为指针分配存储单元时，容易产生指针悬挂问题。所谓指针悬挂问题是指：当一个对象被释放，而释放时没有直接涉及作为其别名的指针时，就产生指针悬挂，这时，指针所占据的内存单元始终得不到释放，使用DEALLOCATE函数就可释放存储单元。注意，对于普通变量，由于其内存空间自动回收，不存在上述问题。 例10.4，ALLOCATE和DEALLOCATE函数的用法，程序如下： PROGRAM POINTER4 INTEGER,POINTER:P1,P2INTEGER SALLOCATE(P1,P2)READ*,P1,P2S=P1+P2DEAL
9、LOCATE(P1,P2)PRINT*,S=,SEND输入5 6输出S=11 该程序中，先定义了两个指针变量P1、P2，然后用ALLOCATE函数为其分配空间，再通过键盘输入其值，运算完毕，用DEALLOCATE函数，释放其空间。必须注意的是：DELLOCATE函数所释放的空间，一定得是不再使用的动态空间，空间一旦被释放，就不得再使用，否则将产生非法操作，如上面程序中，如果将DEALLOCATE(P1,P2)语句提前，就会产生非法操作。注意，即使用DEALLOCATE(P)函数，释放P所指的空间，也可能产生悬挂指针问题，下面我们看一个可能产生悬挂指针的例子。 REAL, POINTER : P
10、1, P2ALLOCATE( P1 )P1 = 13P2 = P1这时，P1，P2指向同一个存储单元，如果程序中在P1使用完后，用DEALLOCATE(P1)语句，这时，P2指针就被悬挂起来。注意，ALLOCATE和DEALLOCATE还有可选用说明符STAT:ALLOCATE(P,STAT=IERR)DEALLOCATE(P,STAT=IERR)其中IERR用于标识内存分配、解除是否成功，成功则IERR的值为0。 10.3 指针与数组指针与数组 利用指针来指向一个数组，能动态地分配数组空间，给编程带来极大的方便，因为FORTRAN语言的特点是，如果要使用数组，则必须在可执行语句之前先定义它，
11、而数组普通定义的方法是首先必须指定数组的维界，确定数组存储空间的大小，但在编写程序时，开始往往难以确定所用数组的大小，显然，所定义的数组空间的大小不能小于所需的空间，解决的办法是将数组定义得足够大，但这样浪费了内存空间，而通过动态定义，可以根据当时使用空间的大小来生成空间，使问题得到很好的解决。下面讨论指针与数组关系的建立、动态空间的生成等。10.3.1 10.3.1 指针数组的定义指针数组的定义 指针数组定义格式为：类型说明，DIMENSION(: :)，POINTER:指针名其中：类型说明可以为各种数据类型，如INTEGER、REAL等；DIMENSION(: :)是数组的动态说明标识，即
12、不指定数组下标界限，“：”个数=数组维数。POINTER为指针说明标识。例如REAL, DIMENSION(:), POINTER : XALLOCATE(X(20) 第一个语句声明了一个可以指向一维整型数组的指针X，第二个语句为该数组分配了20个单位的存储空间。下面看一个例子例10.5 输入任意两个数，将它们及四则运算结果存储起来后，输出。分析：此例中，可以利用指针，定义一个动态数组X，用来存放输入的数据和计算的结果，该数组的空间大小可以根据要存储的数据个数动态分配，程序如下： REAL,DIMENSION(:),POINTER:XREAD*,A,BC=A+BD=A-BE=A*BIF(B.N
13、E.0)THENF=A/BELSEF=0ENDIFALLOCATE(X(6)X(1)=AX(2)=BX(3)=CX(4)=DX(5)=EX(6)=FWRITE(*,100)X 100FORMAT(1X,3F8.2)DEALLOCATE(X)END输入3 6，输出3.006.009.00-3.0018.000.5010.4 指针与链表指针与链表 指针用途之一是使得数据在计算机中可以按链接方式存储，而链接存储中，最简单是链表。下面介绍关于链表的一些基本知识。顺序存储和链接存储是数据的两种最基本的存储结构。在顺序存储中，每个存储结点只含有存储元素本身的信息，元素之间的逻辑关系是通过数组下标位置简单计
14、算出来的。如在顺序表中，若一个元素存储在对应的数组中的下标位置为I，则它的前一个元素在对应的数组中的下标是I-1，它的后一个元素是数组中下标为I+1的元素。顺序存储最大的缺点是不利于数据的动态变化，如向顺序表中插入或删除一个元素时，需要大量移动数据，处理效率很低。在链式存储中，每一个结点除了存储自己的信息以外，还保留下一个值，用来访问下一个变量，这个值称为指针，下面介绍如何使用链表。 10.4.1 结点的定义结点的定义 结点是存放数据的基本单位，最简单的结点是普通数组的元素，如若有以下定义：INTEGER A(10) 则象A(1) 、A(2)、 A(3)、 A(4) 等，可以看作结点。复杂的结
15、点包含多种类型的数据，一般定义为一个结构体，下面定义一个链表结点的结构体： TYPE NODEINTEGER VALUETYPE (NODE), POINTER : NEXTEND TYPE NODE该结点包含两项，一项是数据本身，即INTEGER VALUE，另外一项是一个指向下一个结点的指针NEXT，通过TYPE (NODE), POINTER : NEXT语句定义，该结点可以用图10.3表示： TYPE NODEINTEGER VALUETYPE (NODE), POINTER : NEXTEND TYPE NODE该结点包含两项，一项是数据本身，即INTEGER VALUE，另外一项是
16、一个指向下一个结点的指针NEXT，通过TYPE (NODE), POINTER : NEXT语句定义，该结点可以用图10.3表示： VALUE 图10.3NEXT下面再看一个结构体定义的例子。TYPE STUDENTNODECHARACTER (15)NAMEINTEGER NUMLOGICAL SEXCHARACTER (30)ADDRESST Y P E （ S T U D E N T N O D E ） ，POINTER：NEXTEND TYPE图10.4 结点示意图结点结构体表示如图10.4：10.4.2 链表的基本操作链表的基本操作包括建表、插入、删除、查找、更新、遍历等，这里介绍建
17、表、遍历、插入、删除等操作，其余操作将在下一节综合实例里介绍。1. 链表的建立例10.6 建立一个链表，并输出建表后的结果。为了便于理解，假设链表结点仅包含一个数据项和一个指针项。程序如下： TYPE NODEINTEGER VALUETYPE (NODE), POINTER : NEXTEND TYPE NODE！链表的建立，规定以0作为链表建立结束标志。TYPE (NODE), POINTER : CURRENT, LINTEGER NUMREAD*,NUMNULLIFY( L )ALLOCATE( CURRENT )CURRENT % VALUE = NUML = CURRENTDO W
18、HILE (NUM /= 0) READ*, NUM IF (NUM /= 0) THEN ALLOCATE( CURRENT ) CURRENT % VALUE = NUM CURRENT % NEXT = L L = CURRENT END IF END DO ！链表的输出过程。CURRENT = LPRINT*, CURRENT % VALUECURRENT = CURRENT % NEXTDO WHILE (ASSOCIATED(CURRENT) PRINT *, CURRENT % VALUE CURRENT = CURRENT % NEXT NEXT NODE END DO END
19、输入：1 2 3 4 5输出：54 3 2 1 必须注意的是：链表有一个表头和一个表尾，由于FORTRAN语言中指针实际上就是一个别名，不同于C语言中的指针（C中的指针代表内存地址），因此没有明确的空指针的概念，链表的访问方式只能从最后一个结点开始，到第一个结点，通过检查链表是否再被连接作为结束标识，例10.6所建链表过程如图10.5所识。例10.7 建立有关链表的的模板函数，其中包含链表的删除、插入、输出等函数，程序如下：！模板函数的说明MODULE MODLINK IMPLICIT NONE！结点定义PRIVATE NODETYPE NODE INTEGER VALUE TYPE (NOD
20、E), POINTER : NEXTEND TYPE NODE ！定义链表头指针TYPE LIST PRIVATETYPE (NODE), POINTER : END END TYPE LIST ！模板函数所包含的内容CONTAINS ！删除函数DISPOSE( L )，用于清空链表。SUBROUTINE DISPOSE( L )TYPE (NODE), POINTER : CURRENTTYPE (LIST) LCURRENT = L % END DO WHILE (ASSOCIATED(L % END)L % END = CURRENT % NEXT PRINT*, CURRENT % V
21、ALUE, IS ABOUT TO GODEALLOCATE( CURRENT )CURRENT = L % END END DOEND SUBROUTINE DISPOSE！插入函数INSERT，通过插入结点建立链表SUBROUTINE INSERT( L, NUM ) TYPE (NODE), POINTER : CURRENT TYPE (LIST) LINTEGER NUMALLOCATE( CURRENT ) CURRENT % VALUE = NUM CURRENT % NEXT = L % END L % END = CURRENT END SUBROUTINE INSERT ！
22、遍历函数PRINTLIST，用来访问链表各结点，并输出结点的值SUBROUTINE PRINTLIST( L )TYPE (NODE), POINTER : CURRENT TYPE (LIST) LPRINT*, FROM THE END: CURRENT = L % END ! ALIAS OF LAST NODEDO WHILE (ASSOCIATED(CURRENT) PRINT *, CURRENT % VALUE CURRENT = CURRENT % NEXT END DO END SUBROUTINE PRINTLIST ！初始化链表，使表头指针空SUBROUTINE SETU
23、P( L )TYPE (LIST) LNULLIFY( L % END ) END SUBROUTINE SETUP END MODULE MODLINK！主函数部分，根据要求调用前面的函数。PROGRAM TESTLISTUSE MODLINK ! LINKED LIST IMPLEMENTATIONIMPLICIT NONETYPE (LIST) LINTEGER : NUM = 1 CALL SETUP( L )DO WHILE (NUM /= 0) READ*, NUM IF (NUM /= 0) THEN CALL INSERT( L, NUM ) END IF END DO CAL
24、L PRINTLIST( L )CALL DISPOSE( L ) END PROGRAM TESTLIST输入123450输出543215将被删除4将被删除3将被删除2将被删除1将被删除。 10.5 综合实例综合实例 用链表完成学生情况的管理，已知学生包含姓名，学号，和一门成绩等，其中学号作为关键字。完成链表的建立，和按关键字的排序，插入，查找，删除等操作。1 定义结点定义带指针的存放学生记录的结点如下：TYPE NODECHARACTER(15)NAME INTEGER MARK REAL GRADETYPE (NODE), POINTER : NEXTEND TYPE NODE 2 定义
25、链表的头指针：TYPE LIST PRIVATETYPE (NODE), POINTER : END END TYPE LIST必须注意，放在模板函数中的链表必须为PRIVATE类型。3 链表头指针的初始化SUBROUTINE SETUP( L )TYPE (LIST) LNULLIFY( L % END ) ! LIST IS EMPTY AT FIRSTEND SUBROUTINE SETUP初始化就是将头指针清空，其主要目的是为了在链表的逆序访问中知道链表结点是否访问完毕。4 链表建立建立方式用后插方式，即不断在表头结点后面加入新结点。SUBROUTINE INSERT( L, NAME
26、1,MARK1,GRADE1) TYPE (NODE), POINTER : CURRENT TYPE (LIST) LCHARACTER(15)NAME1INTEGER MARK1REAL GRADE1ALLOCATE(CURRENT)！为CURRENT指针分配空间和数据，生成结点。CURRENT%NAME=NAME1 CURRENT%MARK=MARK1CURRENT%GRADE=GRADE1CURRENT%NEXT =L%END ！将CURRENT指针生成的结点连接到链表上。L%END = CURRENT ！链表末尾指针后移，为连接新结点做准备。END SUBROUTINE INSERT
27、5 链表删除删除过程为：先定义指针保留待删指针及相关的数据，然后删除待删指针，再输出删除的数据并移动指针保留指针，为删除下一结点作准备。SUBROUTINE DISPOSE( L )TYPE (NODE), POINTER : CURRENTTYPE (LIST) LCURRENT = L % END !从最后一个结点开始删除，用CURRENT保留待删指针即L链表的END指针。DO WHILE (ASSOCIATED(L % END)!注意循环进行条件是链表继续相连，通过ASSOCIATED函数来判断。 L % END = CURRENT % NEXT ! END指针前移。PRINT*, CU
28、RRENT % NAME! 输出相关的数据。PRINT*, CURRENT % MARKPRINT*, CURRENT % GRADEDEALLOCATE( CURRENT )! 删除CURRENT指针，即删除结点。CURRENT = L % END !CURRENT 指针保留下一个待删结点的指针。END DOEND SUBROUTINE DISPOSE6 数据记录的查找查找是以一个关键字为基础进行的，这里用MARK作关键字进行查找，程序如下SUBROUTINE FIND(L,KEY)TYPE (NODE), POINTER : CURRENT TYPE (LIST)LINTEGER KEYP
29、RINT*, 请输入待查找的关键字KEYREAD*,KEY CURRENT = L % END ! 从最后一个结点开始。DO WHILE (ASSOCIATED(CURRENT%NEXT)!注意循环只能进行到链表头的前一个结点，否则将产生非法操作。IF(CURRENT%MARK.EQ.KEY)THEN! 一旦找到记录，则将结果输出，并退出循环。PRINT*,与,KEY,相对应的记录如下：PRINT *,CURRENT %NAME,CURRENT %MARK,CURRENT %GRADEGOTO 100ELSECURRENT = CURRENT % NEXT ! 查找下一个记录。ENDIFEND
30、 DOPRINT*,没有该记录!循环结束还没有找到该记录的话，说明该记录不存在。100 CONTINUEEND SUBROUTINE FIND 7 数据更新数据更新是根据给定的关键字查找到相应的记录后，再将相关项更新。SUBROUTINE UPDATA(L,KEY)TYPE (NODE), POINTER : CURRENT TYPE (LIST)LCHARACTER(15)NEWNAMEINTEGER KEY,NEWGRADE PRINT*, 请输入待更新项的关键字KEYREAD*,KEYPRINT*, 请输入待更新的其它项READ*,NEWNAME,NEWGRADE CURRENT = L
31、 % END ! 从链表末尾开始DO WHILE (ASSOCIATED(CURRENT%NEXT)IF(CURRENT%MARK.EQ.KEY)THENCURRENT %NAME=NEWNAMECURRENT %GRADE=NEWGRADEGOTO 100ELSECURRENT = CURRENT % NEXT !查找下一个结点。ENDIFEND DOPRINT*,该项不存在，无法更新100 CONTINUEEND SUBROUTINE UPDATA8 链表输出程序如下：SUBROUTINE PRINTLIST( L )TYPE (NODE), POINTER : CURRENT TYPE (LIST)LPRINT*, FROM THE END: CURRENT = L % END DO WHILE (ASSOCIATED(CURRENT) PRINT *,CURRENT %NAME,CURRENT %MARK,CURRENT %GRADECURRENT = CURRENT % NEXT END DO
