Fortranプログラミングにおける一般的なエラーと解決策ガイド

Fortranは、科学技術計算の分野で長年にわたり使用されてきた強力なプログラミング言語です。しかし、他の言語と同様に、Fortranプログラミングでも様々なエラーに遭遇することがあります。これらのエラーは、プログラムのコンパイル時、リンク時、または実行時に発生する可能性があります。

このブログ記事では、Fortranプログラマーがよく遭遇する可能性のある一般的なエラーの種類を分類し、それぞれの原因と具体的な解決策、そしてデバッグに役立つヒントについて詳しく解説します。エラーメッセージに臆することなく、冷静に対処できるようになりましょう！💪

エラーは大きく分けて、以下の3種類に分類できます。

• コンパイル時/リンク時のエラー: ソースコードの文法的な誤りや、必要なファイルが見つからない場合に発生します。
• 実行時エラー: プログラムの実行中に発生するエラーで、不正なメモリアクセスや算術的な問題が原因となることが多いです。
• 論理エラー: プログラムは正常に動作するものの、意図した通りの結果が得られないエラーです。アルゴリズムの誤りなどが原因です。

一般的に、下に行くほどデバッグが困難になる傾向があります。それでは、それぞれのエラーについて詳しく見ていきましょう。

コンパイル時やリンク時のエラーは、ソースコード自体に問題があるか、プログラムを構成する部品（ライブラリやオブジェクトファイル）が不足している場合に発生します。幸いなことに、これらのエラーはコンパイラが具体的なエラー箇所や原因の手がかりを示してくれることが多く、比較的解決しやすい部類に入ります。

1.1. 文法エラー (Syntax Errors)

最も基本的なエラーであり、Fortranの文法規則に従っていない場合に発生します。タイプミス、キーワードの綴り間違い、カンマの抜け、括弧の閉じ忘れ、引用符の不一致などが一般的な原因です。全角スペースが紛れ込んでいることもあります。

例:

program syntax_error_example
  implicit none
  integer :: i, sum_val

  sum_val = 0
  do i = 1, 10 ! カンマの後のスペースは問題ないが、カンマ自体を忘れるとエラー
    sum_val = sum_val + i
  ! end do を忘れるとエラーになる
  end do ! 正しくはこのように記述

  print *, "Sum:", sum_val ! printt のようにタイプミスするとエラー

end program syntax_error_example
        

対処法:

• コンパイラが出力するエラーメッセージを注意深く読み、指摘された行番号とその周辺を確認します。
• スペルミス、記号の抜けや不一致がないか確認します。特に括弧 `()` や引用符 `”`, `””` の対応は重要です。
• 全角文字（特にスペース）が紛れ込んでいないか確認します。エディタの機能で全角スペースを表示させると見つけやすくなります。
• Fortran 77形式（固定形式）で記述している場合、コードが72カラムを超えていないか、行頭のインデントが正しいかを確認します。（現代的なFortranでは自由形式が推奨されます）
• エラーメッセージが示す行よりも前の行に実際の原因がある場合もあります。例えば、`end do` の忘れは `do` 文自体ではなく、プログラムの最後などでエラーとして検出されることがあります。

1.2. 型の不一致 (Type Mismatch Errors)

変数や定数のデータ型が、演算やサブルーチン/関数の引数で期待される型と一致しない場合に発生します。特に、古いFortranコードでよく見られる `implicit none` を指定しない（暗黙の型宣言）場合に意図しない型で変数が扱われ、問題を引き起こすことがあります。

例:

program type_mismatch_example
  implicit none ! これを書く習慣をつけよう！
  integer :: int_var
  real :: real_var
  character(len=10) :: str_var

  int_var = 10
  real_var = 3.14
  str_var = "Hello"

  ! エラー例1: 実数型変数に文字列を代入しようとする
  ! real_var = "World" ! コンパイルエラー

  ! エラー例2: 整数型変数と実数型変数の比較 (これは多くの場合暗黙の型変換で許容されるが、意図しない結果になる可能性)
  ! if (int_var == real_var) then ...

  ! エラー例3: サブルーチンの引数の型が違う
  call process_data(int_var) ! process_data が実数型を期待している場合、エラーになる可能性がある

contains
  subroutine process_data(value)
    real, intent(in) :: value ! 実数型を期待
    print *, "Processing:", value
  end subroutine process_data

end program type_mismatch_example
        

対処法:

• プログラムの先頭で implicit none を宣言し、全ての変数を明示的に宣言する習慣をつけます。これにより、宣言漏れやタイプミスによる暗黙の型宣言を防ぐことができます。
• 変数に値を代入する際、代入元と代入先の型が一致しているか確認します。
• サブルーチンや関数を呼び出す際、渡す引数の型と、サブルーチン/関数側で定義されている仮引数の型が一致しているか確認します。`intent` 属性も正しく指定しましょう。
• 異なる型の間の演算や比較を行う場合、`real()`, `int()`, `nint()`, `char()` などの組込み型変換関数を使用して、明示的に型を変換します。

1.3. 未定義参照 / 未解決の外部シンボル (Undefined Reference / Unresolved External Symbol Errors)

このエラーは、コンパイル自体は成功した後、プログラムの各部分（オブジェクトファイルやライブラリ）を結合するリンク段階で発生します。プログラム中で呼び出しているサブルーチン、関数、あるいはグローバル変数などが、リンクされるどのファイルにも定義されていない場合に起こります。

エラーメッセージ例 (gfortran):

/tmp/ccXXXXXX.o: In function `main':
my_program.f90:(.text+0x2a): undefined reference to `my_sub_'
collect2: error: ld returned 1 exit status
        

エラーメッセージ例 (ifort):

ipo: warning #11021: unresolved __MAIN__
        

または

ld: Undefined symbols:
_my_sub_, referenced from _MAIN__ in ifortXXXXXX.o
        

主な原因と対処法:

コンパイルとリンクは成功し、プログラムが実行を開始した後に発生するエラーです。これらのエラーは、コンパイル時には検出できなかった問題、例えば不正なメモリアクセス、算術演算の失敗、ファイルI/Oの問題などが原因で発生します。実行時エラーは原因の特定が難しい場合もありますが、多くの場合、プログラムの実行を中断させます。

2.1. セグメンテーション違反 (Segmentation Fault / Segfault)

おそらく最も遭遇頻度の高い実行時エラーの一つです。「セグフォルト」とも呼ばれます。これは、プログラムがアクセス権限のないメモリ領域にアクセスしようとしたときに発生します。OSがプログラムの不正な動作を検知し、強制終了させます。

エラーメッセージ例:

Segmentation fault (core dumped)
        

または Intel Fortran ランタイムライブラリ (RTL) からのエラーとして:

forrtl: severe (174): SIGSEGV, segmentation fault occurred
        

または

forrtl: severe (157): Program Exception - access violation
        

主な原因と対処法:

real :: array(5)
integer :: i
do i = 1, 10 ! 範囲外アクセス (i=6以降)
  array(i) = real(i)
end do
                  

real, allocatable :: data(:)
integer :: n = 100
! allocate(data(n)) ! これを忘れるとエラー
data(1) = 0.0 ! 未確保のメモリへのアクセス
                  

program main
  real :: x(10)
  call sub(x)
end program main

subroutine sub(y)
  real :: y(5) ! 呼び出し側とサイズが違う
  y(6) = 0.0 ! 不正アクセスになる可能性がある
end subroutine sub
                  

2.2. 浮動小数点例外 (Floating-Point Exceptions)

実数（浮動小数点数）の計算において、不正な演算や表現できない結果が生じた場合に発生するエラーです。

主な種類と原因、エラーメッセージ例:

対処法:

• ゼロ除算: 割り算を行う前に、除数がゼロでないことを確認する条件分岐 (`if`) を入れます。

  
  if (abs(divisor) > epsilon(divisor)) then
    result = numerator / divisor
  else
    print *, "Error: Division by zero detected!"
    ! エラー処理またはデフォルト値の設定
  endif
              

  ここで `epsilon(divisor)` は `divisor` と同じ型で、1.0に加えたときに1.0より大きい最小の数を返す組込み関数で、ゼロに近いかどうかの判定に使えます。
• オーバーフロー/アンダーフロー:
  • より広い範囲を表現できるデータ型（例: 単精度 `real` から倍精度 `real(kind=kind(1.0d0))` へ）を使用することを検討します。
  • 計算アルゴリズムを見直し、中間結果が極端に大きくなったり小さくなったりしないように工夫します。例えば、積の対数を計算してから最後に指数を取るなどの対数スケールでの計算が有効な場合があります。
  • 計算前に、入力値が想定内の範囲にあるかチェックします。
• 不正演算:
  • `sqrt`, `log`, `asin` などの関数の引数が、定義域（例: `sqrt` や `log` の引数は非負）を満たしているか、関数呼び出し前にチェックします。
  • 計算途中で NaN が発生していないか確認します。NaN は一度発生すると、以降の計算に伝播していく性質があります。`ieee_is_nan()` (Fortran 2003以降) などの関数でチェックできます。
• コンパイラオプション: 実行時に浮動小数点例外をトラップ（検出してプログラムを停止させる）するオプションがあります。これを使うと、問題が発生した箇所を特定しやすくなります。
  • gfortran: `-ffpe-trap=invalid,zero,overflow` など（`underflow`, `inexact` も指定可能）
  • ifort: `-fpe0` (ゼロ除算、オーバーフロー、不正演算をトラップ), `-fpe1` (アンダーフローもトラップ) など
  これらのオプションと、 `-fbacktrace` (gfortran) や `-traceback` (ifort) を併用すると、エラー発生箇所の特定に役立ちます。

2.3. 入出力エラー (Input/Output Errors)

ファイルの読み書き (`read`, `write`, `open`, `close` など) に関連するエラーです。ファイルが存在しない、アクセス権がない、ディスク容量が不足している、書式指定とデータの型が一致しない、などが原因となります。

主な原因と対処法:

integer :: io_stat
real :: value
do
  read(unit, *, iostat=io_stat) value
  if (io_stat /= 0) exit ! エラーまたはファイル終端でループを抜ける
  ! 読み込んだ値を使った処理
end do
                  

I/Oエラー処理のベストプラクティス:

`open`, `close`, `read`, `write`, `inquire` などのI/O文では、`iostat=` 指定子を使うことが強く推奨されます。これにより、I/O操作が成功したか、エラーが発生したか、あるいはファイルの終端に達したかを整数変数で受け取ることができます。

integer :: unit_num = 10, io_status
character(len=80) :: file_name = "input.dat"
real :: data_value

open(unit=unit_num, file=file_name, status='old', iostat=io_status)

if (io_status /= 0) then
  print *, "Error opening file: ", file_name, " IOSTAT=", io_status
  stop ! または他のエラー処理
endif

do
  read(unit=unit_num, fmt=*, iostat=io_status) data_value
  if (io_status < 0) then  ! End of file condition
    print *, "End of file reached."
    exit
  else if (io_status > 0) then ! Error condition
    print *, "Error reading from file: ", file_name, " IOSTAT=", io_status
    exit
  endif
  ! 読み込んだ data_value を使う処理
  print *, "Read value: ", data_value
end do

close(unit=unit_num, iostat=io_status)
if (io_status /= 0) then
  print *, "Error closing file: ", file_name, " IOSTAT=", io_status
endif
        

`iostat=` の値は、0なら成功、正の値ならエラー（エラーの種類はコンパイラ依存）、負の値ならファイル終端（End Of File）またはレコード終端（End Of Record）を示します。これにより、予期せぬエラーでプログラムがクラッシュするのを防ぎ、より丁寧なエラーハンドリングが可能になります。

論理エラーは、プログラムが文法的にも正しく、実行時エラーも発生せずに最後まで動作するものの、開発者が意図した通りの結果や動作をしない種類のエラーです。これは、プログラムのアルゴリズム、計算式、条件分岐、ループ処理などに誤りが含まれている場合に発生します。論理エラーはコンパイラや実行環境が直接的なエラーメッセージを出力しないため、発見と修正が最も難しいエラータイプと言えます。

主な原因と対処法:

integer :: i, n=5
real :: a(n)
! 正しい例: 1からnまで処理
do i = 1, n
  a(i) = real(i)
end do
! 誤りやすい例: 0からn-1で処理しようとする (Fortranの配列はデフォルトで1始まり)
! do i = 0, n-1 ! これは意図通りにならないことが多い
!   a(i) = real(i) ! a(0) は範囲外 (宣言による)
! end do
                  

論理エラーのデバッグは、地道な作業になることが多いです。プログラムの動作をステップごとに追いかけ、変数の値の変化を確認し、期待される動作とのずれを見つける必要があります。次に紹介するデバッグのテクニックが役立ちます。

エラーの原因を特定し、修正する作業（デバッグ）はプログラミングにおいて不可欠なプロセスです。ここでは、Fortranプログラムのデバッグに役立ついくつかの基本的なヒントとテクニックを紹介します。

4.1. コンパイラの警告を最大限に活用する

現代のFortranコンパイラは、明らかなエラーだけでなく、潜在的な問題点（例えば、未使用の変数、初期化されていない可能性のある変数の使用、型の不一致の可能性など）を警告メッセージとして出力する機能を持っています。これらの警告は、将来的にエラーを引き起こす可能性のある箇所を示唆してくれるため、非常に有用です。

• 警告オプションを有効にする: コンパイル時に、警告レベルを上げるオプションを指定しましょう。
  • gfortran: `-Wall` (一般的な警告を有効化), `-Wextra` (さらに追加の警告を有効化), `-Wconversion` (暗黙の型変換に関する警告) など。
  • ifort: `-warn all` (全ての警告を有効化), `-warn errors` (警告をエラーとして扱う) など。
• 警告を無視しない: 出力された警告メッセージを注意深く読み、可能な限り修正します。「単なる警告だから」と無視していると、それが後のバグの原因になることがあります。

4.2. デバッグ用コンパイルオプションを利用する

コンパイラには、実行時エラーの検出やデバッガによる解析を助けるための特別なオプションが用意されています。デバッグ時にはこれらのオプションを有効にしてコンパイルしましょう。

• 実行時チェック:
  • gfortran: `-fbounds-check` (配列境界チェック), `-fcheck=all` (境界、ポインタ、再帰など全てチェック), `-finit-real=snan` (未初期化実数をNaNで初期化し、使用時にトラップ), `-finit-integer=-999999` (未初期化整数を大きな負数で初期化) など。
  • ifort: `-check bounds` (配列境界チェック), `-check uninit` (未初期化変数チェック), `-check all` (可能な全てのチェック) など。
• トレースバック情報: エラー発生時に、どのサブルーチン/関数呼び出しを経てその箇所に至ったかの情報（コールスタック）を表示させます。
  • gfortran: `-fbacktrace`
  • ifort: `-traceback`
• 浮動小数点例外トラップ: 特定の浮動小数点例外が発生したときにプログラムを停止させます。
  • gfortran: `-ffpe-trap=invalid,zero,overflow` など
  • ifort: `-fpe0`, `-fpe1` など
• デバッグシンボル: デバッガ (GDBなど) がソースコードレベルでのデバッグを行うために必要な情報を実行ファイルに含めます。
  • gfortran: `-g`
  • ifort: `-g` または `-debug extended`

デバッグ用オプションの組み合わせ例:

gfortran:

gfortran -g -Wall -Wextra -fcheck=all -fbacktrace -ffpe-trap=invalid,zero,overflow my_program.f90 -o my_program_debug
        

ifort:

ifort -g -traceback -check all -warn all -fpe0 my_program.f90 -o my_program_debug
        

4.3. Printデバッグ (古典的だが有効な手法)

最も原始的でありながら、依然として非常に有効なデバッグ手法です。「デバッグWRITE」とも呼ばれます。プログラムの怪しい箇所の前後やループ内部などに `print *` 文や `write(*,*)` 文を挿入し、変数の値やプログラムがどの部分を実行しているかを確認します。

program print_debug_example
  implicit none
  integer :: i, result
  real :: intermediate_val

  result = 0
  print *, "Debug: Starting loop..." ! 実行箇所の確認
  do i = 1, 5
    print *, "Debug: Loop i=", i ! ループ変数の確認
    intermediate_val = real(i) * 1.5
    print *, "Debug: intermediate_val=", intermediate_val ! 中間結果の確認
    result = result + nint(intermediate_val)
    print *, "Debug: current result=", result ! 累積結果の確認
  end do
  print *, "Debug: Loop finished."

  print *, "Final Result:", result

end program print_debug_example
        

利点:

• 特別なツールを必要とせず、手軽に試せる。
• 特定の変数の値の変化を時系列で追跡しやすい。

欠点:

• 大量の `print` 文を挿入・削除するのが手間。
• 出力が大量になると、目的の情報を見つけるのが大変になる。
• プログラムの実行タイミングに影響を与えることがある（稀に）。
• デバッグが終わったら消し忘れないように注意が必要。

単純な問題や、特定の変数の変化を追いたい場合には依然として有効な方法です。`print` 文に識別用の文字列（`”Debug:”` など）をつけておくと、後で検索して削除しやすくなります。

4.4. デバッガを利用する (GDBなど)

デバッガは、プログラムの実行を対話的に制御し、内部状態を詳細に調査するための強力なツールです。Linux環境では GDB (GNU Debugger) が広く使われています。多くのIDE (統合開発環境) にもデバッガ機能が組み込まれています。

デバッガでできることの例 (GDB):

• ブレークポイントの設定: プログラムの特定の行で実行を一時停止させる (`break ファイル名:行番号` または `break 関数名`)。
• ステップ実行: プログラムを一行ずつ実行する (`next`: 次の行へ, `step`: 関数の中に入る)。
• 変数の値の表示: 現在のスコープにある変数の値を表示する (`print 変数名`)。配列の一部を表示することも可能。
• 変数の値の変更: 実行中に変数の値を変更して、動作の変化を見る (`set variable 変数名 = 値`)。
• コールスタックの表示: 現在の関数がどの関数から呼び出されたかの履歴を表示する (`backtrace` または `bt`)。エラー発生時に特に有用。
• 条件付きブレークポイント: 特定の条件が満たされたときだけブレークポイントで停止させる (`condition ブレークポイント番号 条件式`)。例えば、「ループ変数 `i` が 100 になったときだけ停止」などが可能。
• ウォッチポイントの設定: 特定の変数の値が変更されたときに実行を停止させる (`watch 変数名`)。

GDBの基本的な使い方:

1. デバッグ情報付きでコンパイル: `gfortran -g my_program.f90 -o my_program_debug`
2. GDBを起動: `gdb ./my_program_debug`
3. (gdb) プロンプトが表示されたら、コマンドを入力してデバッグを開始。例えば:
   • `break main`: メインプログラムの開始点で停止
   • `run`: プログラムを実行開始
   • ブレークポイントで停止したら `next`, `step`, `print` などで調査
   • `continue`: 次のブレークポイントまで実行を継続
   • `quit`: GDBを終了

デバッガの習得には少し時間がかかりますが、複雑なエラーや論理エラーの原因を突き止めるためには非常に強力な武器となります。多くのチュートリアルやドキュメントが存在するので、ぜひ挑戦してみてください。テキストエディタ (Vim, Emacs など) や IDE (Visual Studio Code, Eclipse Photran など) と連携して使うと、より効率的にデバッグできます (例: Vim の termdebug)。

4.5. 問題を切り分ける

エラーが発生している箇所が特定できない場合、問題をより小さな部分に切り分けて考えることが有効です。

• コードのコメントアウト: 怪しいと思われる部分のコードを一時的にコメントアウトし、エラーが発生しなくなるか試します。エラーが出なくなった場合、コメントアウトした部分に原因がある可能性が高いです。
• 最小再現コードの作成: エラーが発生する最小限のコードを作成します。元のプログラムから不要な部分を削ぎ落としていくことで、問題の本質を特定しやすくなります。また、他の人に助けを求めるときにも、最小再現コードがあると状況を伝えやすくなります。
• 単体テスト: プログラムを機能ごとに独立したサブルーチンや関数（モジュール）に分割し、それぞれのモジュールが正しく動作するかを個別にテストします。これにより、どのモジュールに問題があるかを特定しやすくなります。

4.6. 落ち着いてエラーメッセージを読む

エラーに遭遇すると焦りがちですが、まずは深呼吸して、コンパイラや実行環境が出力したエラーメッセージを注意深く読みましょう。エラーメッセージには、エラーの種類、発生箇所（ファイル名や行番号）、原因の手がかりが含まれていることがほとんどです。エラーメッセージをそのまま検索エンジンで検索してみるのも有効な手段です。多くの場合、同じエラーに遭遇した他の人の解決策が見つかります。

Fortranプログラミングにおける一般的なエラーとその対処法、そしてデバッグのヒントについて解説しました。エラーは避けられないものですが、その種類と原因を理解し、適切なツールとテクニックを用いることで、効率的に解決することができます。

• コンパイル/リンクエラーは、文法ミスやファイル不足が原因。エラーメッセージをよく読み、スペル、記号、ファイル指定を確認しましょう。`implicit none` は必須です。
• 実行時エラー（セグフォルト、浮動小数点例外、I/Oエラー）は、不正なメモリアクセスや演算、ファイル操作が原因。デバッグオプション付きのコンパイルが原因特定に役立ちます。`iostat=` でI/Oエラーを捕捉しましょう。
• 論理エラーは、プログラムは動くが結果が違うエラー。アルゴリズムや条件、初期化などを疑い、デバッガや Print デバッグで動作を追いかけましょう。

コンパイラの警告を活用し、デバッグオプションを有効にし、必要に応じてデバッガやPrintデバッグを使いこなすことで、バグとの戦いを有利に進めることができます。焦らず、一つ一つのエラーに丁寧に向き合っていくことが、堅牢で信頼性の高いプログラムを作成するための鍵となります。Happy Fortran Programming! 🎉