如何在 C++ 数据结构中存储 Fortran 风格的长字符标量

Question

我正在使用一个旧的 Fortran 库，它需要一个字符标量PATH作为子例程的参数。原来的界面是：

SUBROUTINE MINIMAL(VAR1, ..., PATH)

CHARACTER (LEN=4096) PATH

...

我需要能够从 C++ 调用它，因此我进行了以下更改：

SUBROUTINE MINIMAL(VAR1, ..., PATH) &
    BIND (C, NAME="minimal_f")

    USE ISO_C_BINDING, ONLY: C_CHAR, C_NULL_CHAR

    CHARACTER (KIND=C_CHAR, LEN=1), DIMENSION(4096), INTENT(IN) :: PATH
    CHARACTER (LEN=4096):: new_path

!   Converting C char array to Fortran CHARACTER.
    new_path = " "
    loop_string: do i=1, 4096
        if ( PATH (i) == c_null_char ) then
            exit loop_string
        else
            new_path (i:i) = PATH (i)
        end if
    end do loop_string

根据这个答案。这可以将 C 风格的 char 数组转换为其 Fortran 标量数组，但存在两个问题：

1. 该代码位于关键路径上，因此每次当答案相同时都进行相同的转换，效率很低
2. 我强烈希望不必编辑遗留代码

我努力了：

• 只是接受CHARACTER (LENGTH=4096) :: new_path直接与 ISO C 绑定，但我收到以下编译器错误： Error: Character argument 'new_path' at (1) must be length 1 because procedure 'minimal' is BIND(C) 这个答案和我读过的其他答案表明 ISO C 绑定似乎限制了我可以作为参数传递给函数的内容，尽管我没有尚未找到任何官方文档。
• 这个答案提供了另一种算法，可以将 C 风格的字符串转换为 C 代码中的 Fortran 风格的等效字符串，并将其传递给 Fortran 子例程，而不使用 ISO C 绑定。（此函数建议类似的算法）。这似乎正是我想要的，但在没有绑定的情况下出现链接器错误：

Undefined symbols for architecture x86_64:
  "_minimal", referenced from:

C++端函数声明：

extern "C" { 
    double minimal(int* var1, ..., const char* path);
}

这表明我的编译器 (gcc) 在extern块中时在函数名称前面添加了下划线。然而，gfortran 不允许我命名子例程_minimal，因此链接器无法找到符号_minimal。（上述链接建议在 C 端函数名称末尾添加下划线，但这也不起作用，因为前导下划线。）

我想在我的 C++ 代码中将 C 风格的字符串处理为 Fortran 风格的字符标量，并能够将其传递到原始接口中。有任何想法吗？

Answer 1

Fortran 2018 允许互操作过程具有假定长度的字符虚拟参数，放宽了此类虚拟参数长度必须为 1 的限制。

所以我们可以编写一个 Fortran 程序

subroutine minimal(path) bind(c)
  use, intrinsic :: iso_c_binding, only : c_char
  character(*,c_char), intent(in) :: path
  ...
end subroutine minimal

并继续我们的生活，知道我们还通过使用假定长度标量而不是显式长度标量改进了 Fortran 代码。不需要此角色虚拟的“Fortran 端”副本。

这个故事的可悲之处在于虚拟参数path不能与char. 因此，C（或 C++）函数的形式参数char *必须是 ，而不是CFI_cdesc_t *。以（C）为例：

subroutine minimal(path) bind(c)
  use, intrinsic :: iso_c_binding, only : c_char
  character(*,c_char), intent(in) :: path
  ...
end subroutine minimal

C++ 示例将是类似的。

这个故事值得注意的部分是，您需要一个 Fortran 编译器来实现 Fortran 2018 的这一部分。GCC 11 不需要。

IanH 的回答引起了人们对一种完全避免修改原始 Fortran 子例程的方法的关注。当然，有时候避免任何改变是有好处的（稍微重复一下 IanH 所说的）：

• usingbind(c)意味着现在通过 Fortran 本身调用修改后的子例程时始终需要显式接口。也许代码的某些部分将其与隐式接口一起使用
• 原件已经过测试（或没有测试），并且您不想破坏任何东西
• 您不想将参数从默认类型更改为可互操作类型（如果它们确实不同）
• 确实需要显式长度虚拟参数
• 如果不需要的话你只是不想修改它

其中任何一个都可以成为一个很好的论据，因此本着这种精神，我将使用薄包装器添加到 C 示例中。

福特兰语言：

subroutine minimal_wrap(path) bind(c, name='minimal')
  use, intrinsic :: iso_c_binding, only : c_char
  character(*,c_char), intent(in) :: path

  call minimal(path)
end subroutine minimal_wrap

subroutine minimal(path)
  character(4096) path
  print*, trim(path)
end subroutine minimal

C：

#include "ISO_Fortran_binding.h"
#include "string.h"

void minimal(CFI_cdesc_t *);

int main(int argc, char *argv[]) {
  /* Fortran argument will be a scalar (rank 0) */
  CFI_CDESC_T(0) fpath;
  CFI_rank_t rank = 0;

  char path[46] = "afile.txt";

  CFI_establish((CFI_cdesc_t *)&fpath, path, CFI_attribute_other, 
        CFI_type_char, strlen(path)*sizeof(char), rank, NULL);

  minimal((CFI_cdesc_t *)&fpath);
  return 0;
}

使用容器的 C++ 可以说会更好。

回想一下，这将责任放在 C 端，以确保数组足够长（就像在纯 Fortran 调用中一样）。

同样，如果您需要对该副本的默认字符和可互操作字符的差异保持鲁棒性（如 IanH 的答案），您可以应用这些相同的技巧来根据需要进行复制（或者您可以通过条件编译和配置时检查来做到这一点）。然而，此时，您也可以假设始终复制或使用数组参数。