Ubuntu上Fortran程序如何进行图形界面开发

Ubuntu上Fortran程序进行图形界面开发的方法

一、基础准备：安装必要工具链

在Ubuntu上开发Fortran图形界面程序前，需先安装以下核心工具：

Fortran编译器：使用gfortran（GNU Fortran Compiler），它是Ubuntu下最流行的Fortran编译器，支持现代Fortran标准（如Fortran 2003及以上）。通过以下命令安装：
```
sudo apt update
sudo apt install gfortran
```
开发工具包：安装build-essential（包含GCC、Make等基础编译工具），用于编译和链接程序：
```
sudo apt install build-essential
```

二、常见图形界面开发路径

1. 通过GTK+库（推荐）

GTK+是Ubuntu桌面环境的原生GUI工具包，支持跨平台开发，且有多个Fortran绑定库（如gtk-fortran）简化开发流程。

安装GTK+开发库及Fortran绑定：

sudo apt install libgtk-3-dev  # GTK+ 3开发库
sudo apt install gtk-fortran   # Fortran绑定库（封装GTK+的Fortran接口）

开发步骤：
（1）编写Fortran代码：使用gtk-fortran提供的模块（如gtk、gtk_main）创建窗口、按钮等控件。示例如下（main.f90）：

program simple_gui
    use gtk, only: gtk_init, gtk_window_new, gtk_window_set_title, &
                   gtk_window_set_default_size, gtk_widget_show_all, &
                   gtk_main, gtk_main_quit
    use gtk_sup, only: gtk_container_add, gtk_button_new_with_label
    implicit none
    type(c_ptr) :: window, button

    ! 初始化GTK
    call gtk_init()

    ! 创建主窗口
    window = gtk_window_new(GTK_WINDOW_TOPLEVEL)
    call gtk_window_set_title(GTK_WINDOW(window), "Fortran GTK Demo")
    call gtk_window_set_default_size(GTK_WINDOW(window), 300, 200)

    ! 创建按钮
    button = gtk_button_new_with_label("Click Me!")
    call gtk_container_add(GTK_CONTAINER(window), button)

    ! 连接按钮点击事件（退出程序）
    call g_signal_connect(button, "clicked", c_funloc(gtk_main_quit), c_null_ptr)

    ! 显示所有控件
    call gtk_widget_show_all(window)

    ! 进入GTK主循环
    call gtk_main()
end program simple_gui

（2）编译代码：使用gfortran链接GTK+库和gtk-fortran模块。gtk-fortran会自动处理GTK+的C接口绑定，无需手动编写C包装器：

gfortran -o simple_gui main.f90 `pkg-config --cflags --libs gtk+-3.0` -lgtk-fortran

（3）运行程序：

./simple_gui

执行后会弹出一个包含“Click Me!”按钮的窗口，点击按钮可关闭程序。

2. 通过Qt库

Qt是另一款流行的跨平台GUI框架，支持C++，可通过Fortran与C++的混合编程（iso_c_binding）实现集成。

安装Qt及开发工具：

sudo apt install qt5-default  # Qt 5开发环境
sudo apt install g++          # C++编译器（Qt需要）

开发步骤：
（1）编写C++包装器：由于Fortran无法直接调用Qt的C++ API，需先编写C++函数封装Qt的核心功能（如窗口创建），并使用extern "C"导出函数（避免名称修饰）：

// qt_wrapper.cpp
#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QPushButton>
extern "C" {
    void create_qt_window() {
        QApplication app(0, nullptr);
        QWidget window;
        window.setWindowTitle("Fortran Qt Demo");
        window.resize(300, 200);

        QPushButton button("Click Me!", &window);
        QObject::connect(&button, &QPushButton::clicked, [&app]() { app.quit(); });

        window.show();
        app.exec();
    }
}

（2）编写Fortran代码：使用iso_c_binding调用C++包装器函数：

! main.f90
program qt_gui
    use iso_c_binding
    implicit none
    interface
        subroutine create_qt_window() bind(c)
        end subroutine create_qt_window
    end interface

    call create_qt_window()
end program qt_gui

（3）编译代码：先编译C++包装器为目标文件，再用gfortran链接Qt库和Fortran代码：

g++ -c qt_wrapper.cpp -o qt_wrapper.o `pkg-config --cflags --libs qt5core qt5gui qt5widgets`
gfortran -o qt_gui main.f90 qt_wrapper.o `pkg-config --cflags --libs qt5core qt5gui qt5widgets`

（4）运行程序：

./qt_gui

效果与GTK+示例类似，弹出一个包含按钮的窗口。

3. 通过FLTK库（轻量级选择）

FLTK（Fast Light Toolkit）是跨平台的C++ GUI库，以轻量、快速著称，提供Fortran绑定（fltk-fortran）。

安装FLTK及Fortran绑定：

sudo apt install libfltk1.3-dev  # FLTK开发库
sudo apt install fltk-fortran    # Fortran绑定库

开发步骤：
参考FLTK的Fortran文档（如fltk-fortran的示例代码），编写Fortran代码创建窗口和控件，使用gfortran链接FLTK库编译：
```
gfortran -o fltk_demo main.f90 -lfltk -lfltk_fortran
```
运行生成的可执行文件即可显示图形界面。

4. 通过IUP库（简单易用）

IUP（Portable User Interface）是轻量级跨平台GUI工具包，支持Fortran绑定，适合快速开发简单界面。

安装IUP及Fortran绑定：

sudo apt install libiup-dev  # IUP开发库

开发步骤：
使用IUP的Fortran API（如iup.f90）创建窗口和控件，编译时链接IUP库：
```
gfortran -o iup_demo main.f90 -liup
```
运行程序即可显示界面。

5. 通过wxWidgets库（跨平台增强）

wxWidgets是跨平台的C++ GUI库，支持原生外观，提供Fortran绑定（wxWidgets-fortran）。

安装wxWidgets及Fortran绑定：

sudo apt install libwxgtk3.0-dev  # wxWidgets开发库
sudo apt install libwxgtk3.0-fortran-dev  # Fortran绑定库

开发步骤：
类似Qt的方式，编写C++包装器或直接使用Fortran绑定API，编译时链接wxWidgets库。

6. 通过Python+PyQt间接开发（非原生）

若不想直接处理Fortran与C++的混合编程，可通过Python的PyQt库创建GUI，再调用Fortran编写的动态链接库（.so文件）实现计算功能。

安装Python及PyQt：
```
sudo apt install python3 python3-pyqt5
```

开发步骤：
（1）编写Fortran代码并编译为动态库（.so文件）：

! libfortran.f90
subroutine add_numbers(a, b, result) bind(c)
    use iso_c_binding
    real(c_double), intent(in) :: a, b
    real(c_double), intent(out) :: result
    result = a + b
end subroutine add_numbers

编译命令：

gfortran -shared -fPIC -o libfortran.so libfortran.f90

（2）编写Python代码（使用PyQt5创建GUI，调用libfortran.so）：

# gui.py
import sys
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QWidget, QVBoxLayout, QPushButton, QLabel
import ctypes

# 加载Fortran动态库
lib = ctypes.CDLL('./libfortran.so')
lib.add_numbers.argtypes = [ctypes.c_double, ctypes.c_double]
lib.add_numbers.restype = ctypes.c_double

class MainWindow(QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.init_ui()

    def init_ui(self):
        layout = QVBoxLayout()
        self.label = QLabel("Result: ")
        self.button = QPushButton("Add 3 + 5")
        self.button.clicked.connect(self.on_click)
        layout.addWidget(self.label)
        layout.addWidget(self.button)
        self.setLayout(layout)
        self.setWindowTitle("Fortran via Python")

    def on_click(self):
        result = lib.add_numbers(3.0, 5.0)
        self.label.setText(f"Result: {result}")

if __name__ == "__main__":
    app = QApplication(sys.argv)
    window = MainWindow()
    window.show()
    sys.exit(app.exec_())

（3）运行Python脚本：

python3 gui.py

点击按钮会调用Fortran编写的add_numbers函数，显示结果。

三、注意事项

Fortran与C/C++的混合编程：若选择GTK+、Qt等需要C/C++绑定的库，需了解iso_c_binding模块的使用（如bind(c)声明、数据类型转换），确保Fortran与C/C++代码的兼容性。
库的兼容性：确保安装的Fortran绑定库与系统中的GTK+/Qt版本匹配（如gtk-fortran支持GTK+ 3，需对应安装libgtk-3-dev）。
学习资源：参考各库的官方文档（如gtk-fortran的GitHub页面、Qt的Fortran绑定指南），以及Ubuntu社区论坛的示例代码，解决开发中的具体问题。