c言語入門
教養ゼミ コンピュータビジョンとその周辺 教材
2000.06
・計算機のプログラムに習熟すると、車にたとえればエンジンや車体を
自由に作れることに相当し、自分の望むシステムを自由に作ることができ
るようになる。工学を学ぶ者にとっては必須の教養の1つである。ここで
はUNIXのもとで重要な計算機言語であるcについて学ぼう。
・世界に向ってこんにちは
つぎのプログラムでhello worldがプリントされる：
#include <stdio.h>
main()
{
printf("hello world!\n");
}
ここでprintfは文字を端末に表示するための関数と呼ばれるものであ
る。また、\nは１行改行するためのものである（ここには\（バックスラッ
シュと読む）と書いたが、通常\と書いても同じ意味となる）。一般に上
記の形式で" と "で囲まれた範囲の文字が表示される。なお、
printf("hello world!\n");のようなものを文と呼ぶ。各文の最後に
は;（セミコロン）をつける。hello world!の部分に別のものを入れて
試してみよう。
一般にプログラムを作成して完成するまでには、
(1)プログラム（ソースプログラムという）をエディタ（emacsなど）で入
力（または修正）する（c言語のソースプログラムのファイル名は
hello.cのように必ず.cで終るようにすること）。
(2)cc ソースプログラムファイル名 によって実行可能な形式に直す（コ
ンパイルするという、細かくはリンクという手順も内部に含まれている。
なお、コンパイルは通常ccで行うことが多いが、gccととすることもあ
る）。できあがった実行可能プログラムはa.outという名前で格納され
る。
(3)プログラムを実行する（コマンド入力可能な状態（コマンド行という）
でa.outと入力しreturn（enter）キーを押せばよい）。
この間、ccでエラーが検出されることがある（コンパイルエラー）、そ
の場合(1)にもどり、エディタで正しくなるように修正する。また、(3)の
実行に至っても意図した結果が得られないこともある（これを実行時誤り
という）。処理手順の考え方（アルゴリズムという）に誤りがあることが
多い。また、コンパイラ（ここではccのこと）が検出できない変数の初期
値が妥当でない場合や配列と呼ぶ一連のデータの配列番号が許されない値
をとっているなども実行時誤りとなる。いずれにせよ、(1)にもどってや
り直す。大きなプログラムになると、プログラムが正しく働くことを種々
検査し合格してはじめて完成となる。
・繰返し
上記のプログラムを変形して繰返して表示させて見よう：
#include <stdio.h>
main()
{
int i;
for( i = 1 ; i <= 10 ; i = i +1){
printf("hello world!\n");
}
}
for文は、その後ろの{ と }で囲まれた部分（文ブロック）を繰返す。
この例でi = 1 を初期条件、i <= 10を継続条件、 i = i +1を増分と
呼ぶ。 i = i +1は単にi++と書いてもよい。int i; とあるのはiが整
数であることを宣言するもので、ある変数を使うときは必ず宣言しなくて
はならない。intの他にfloat（浮動小数点数（25.37のような小数点で
区切られる数の表現））もある。上記のfor( i = 1 ; i <= 10 ; i
= i +1){で10を変えるとどうなるか試してみよう。
c言語では空白文字（スペース）や空白行は通常意味を持たないのでプ
ログラムを見やすくするため適宜追加削除してよい。また、プログラムを
見やすくするため、字下げして縦方向に同じ性質のものを揃えるのでこれ
を励行するとよい。上記の int i; を入れるとき改行直後にtabキーを
押すと適当な文字数右に送ってくれる。また、for後の{ と } で囲まれる
文ブロックの範囲では、更にtab1つ分右側に字下げする（多分エディタが
文ブロックを理解して自然に余分に右に送ってくれるはず）。
・1〜10まで足して見よう
上のプログラムの変形で足し算（累算）ができる。
main()
{
int i, sum;
sum = 0;
for(i = 1 ; i <= 10 ; i = i +1){
sum = sum + i;
}
printf("answer= %d\n", sum);
}
sum = 0; の文でsumなる変数を0にしている（初期化するという）。
printfの中の%dは整数を表示するためのものである。この仲間に浮動小
数点数表示の%fなどがある。
printfでは、
printf("message1 %d message2 %d message3 %d\n", i1, i2 ,
i3);
とするとmessage1 i1の中身 message2 i2の中身 message3 i3の中
身 の順で表示される。" と " で囲まれた中を左から順に調べ、普通の文
字ならそのまま表示し、%が出てくると、その度に"…"の後にある変数を
１つづつ見にいくと理解すればよい。なお%や\は特殊文字で、それが出
てくると特別のことをすると約束されている。
・関数
ある操作をひとまとめにして関数の形式にまとめると、外からはブラッ
クボックスに見えて都合がよい。関数の呼出しは、プログラム中で引用す
ることで行われる。通常のプログラムは上から下へと順に制御が移るが、
関数を引用すると関数に制御が渡される。それが終ると呼び出した元のプ
ログラム（の呼出した次の行）に制御がもどる。
例
#include <stdio.h>
int sub1( int i );
main()
{
int i, ans;
i = 10;
ans = sub1( i );
printf("answer= %d\n", ans);
}
int sub1( int i)
{
int n;
n = i * 2;
return n;
}
制御は、mainプログラム（これも形式的には関数の一種である、ただ
し名前は必ずmainとする）のans = sub1( i ); のところでint sub1
( int i); からはじまるsub1なる関数に移る。
数学で、ある与えられた数に対し答を与えるものを関数と呼ぶが、c言
語の関数も基本的にこれと同じと考えてよい。上記では、与えられたiに
対してsub1( i )なる答（iの2倍）を返す。その値は内部で計算して
return n; の文で返している。一般に関数値はこのような形式で返すこ
とができる。なお、ここに n = i * 2; の*は掛算の意味で用いている
（計算機言語では*をこの意味で用いるのが普通）。
この例の２行目でint sub1( int i ); とあるが、これはこのプログ
ラム中でsub1という関数を使うという宣言（プロトタイプという）であ
る。先頭のintはこの関数が整数型の答を返すことを意味している。また
かっこ内のint i は、この関数が整数型の数に対して答を与えるもので
あることを宣言している。このような関数に与える数値を引数（ひきすう）
と呼ぶ。一般に引数は複数個あってよく、整数や浮動小数点数が混在する
こともある。
関数の本来の意味からすれば答を関数値として返すのが自然だが、返さ
ないものもある（例えばprintfは答を返さない。なお、関数で答を返す
以外の作用を副作用という）。この場合関数の前にvoidをつける。また
引数のない関数もある。この場合引数の位置にvoidと書く（例 void
sub(void)）。
・makeについて
料理を作るときに用いる手順書をレシピというが、それに相当する
Makefileというものにやるべき手順を書いておく。makeというコマンドを
実行するとMakefileの指示に従って作業してくれる。コンパイルして実行
ファイルを作るには、ccに対する複雑なパラメータの指定が必要で、また
大きなプログラムは部分に分けて分割コンパイルすることが多い。よって、
少しまともなプログラムを作ろうというときにはmakeコマンドのお世話
になる。
・デバッガ使用の勧め
少し複雑なプログラムを作る場合、予期せざる誤りを取除く操作（デバッ
グ）を完成するまで何度も繰返すことになる。文法上の誤りはcコンパイ
ラが指摘してくれるが、文法上は正しくても思わぬ思い違いなどから求め
る結果が得られないことがよくある。このようなとき、途中の経過（どの
段階で変数の値がいくらになっているかなど）をプリントさせてみたりす
ると（また、もし可能ならプログラムの実行を途中で止めてみる）プログ
ラムの働きを確認でき早くデバッグできる。そのためにプログラムに本来
は必要ないprintf文（時として入力文も）などを挿入することも行われ
る。これも役立つが、もっと便利なやり方がある。それがデバッガである。
・デバッガの使い方
コンパイルするときccに代えてcc -gとする（これをデバッガオプション
付のコンパイルという）。デバッガオプション付のコンパイルを行うと多
少実行速度が遅くなるが、できあがった実行プログラム（a.out）をその
まま通常どおり実行することもできる。
デバッグモードの実行は次のように行う：
（以下で説明するdbxコマンドを使うためには設定が必要となる場合が
ある。Solarisのもとで、コマンドパスに/opt/SUNWspro/binを追加する。
詳細は別に説明する）
コマンドが実行できる状態（コマンド行という）でdbx a.out と入力す
る。実行プログラムが読込まれデバッグモードとなる。この状態で種々の
dbxのコマンド（正しくは通常のコマンドより1レベル下のものなのでサ
ブコマンドという）が入力できるようになる。dbxコマンドの主なものは：
help ：dbxコマンドとしてどんなものがあるか教えてくれる。helpに続
けてdbxコマンド名を入れればdbxコマンドの使い方を教えてくれる。
run ：プログラムを開始する。どこか途中で止っているときはご破算で
やりなおしとなる。
list ：ソースプログラムを番号付で表示する（この番号をよく使う。な
お、番号付のリストを手元に置きたいときcat -nコマンドを利用できる）。
print ：指定した変数の値を表示する。
stop at ：指定した番号に制御が移るとき実行直前で止る。
stop in ：指定した関数に制御が移るとき実行直前で止る。
step ：止っているとき、1ステップだけ次に進む。
next ：stepと似ているが、stepは実質的な1ステップ次に進む（例えば関
数呼出しの直前で止っているとき関数の中に入って止る）が、nextはソー
スプログラム上で次へ行く（関数の中へ入り込まないで、形式的にその行
を実行する）。
cont ：止めたプログラムを継続する（従って次にstop atやstop inに出会
うまでどんどん進む）。
quit ：デバッガを終了する。
デバッガを使いこなすとプログラムのデバッグが早くできるし、プログ
ラムのはたらきを深く理解できる。なお、システムに備えられている関数
はデバッグモードでコンパイルされていないので、中に入って見ることが
できない。（注意、デバッグモードでの実行はスピードを除きほぼ完全に
通常の実行と同じと考えてよいが、ごくまれに結果が異なることがある
（似たような事情は実行速度を上げるためのオプティマイゼーション付コ
ンパイルでも存在する）。）
・再帰プログラムに挑戦して見よう （やる気のある人に）
c言語では再帰呼出しというのができる。これは数学の漸下式に似てい
る。例えばn!（nの階乗）は1からnまでの掛算と定義されるが、
n! = n * (n-1)! とも書ける。
10!は9!から計算でき、さらに9!は8!から計算できる。このようなた
らい回しの結果10!が得られる。ただし永久にたらい回しでは-∞!に至っ
てしまう。そこで1! = 1として、それを検出したら終るようにする。
一般に再帰プログラムは
(1)呼び出されたら終端条件に至っているかチェックし、そうなら定義さ
れた値を与えて終る。
(2)そうでない場合、定義に従ってたらい回しして自分自身を呼び出す。
というように書けばよい。
再帰プログラムを用いると簡潔にプログラムを書けることがある。また
パズル的なプログラムも再帰プログラムで書けることがある。種々挑戦し
てみてもらいたい。なお、n!はすぐ計算機がパンクする（といってもそ
のプログラムが異常終了するだけで他人に迷惑は掛らないが）のでnの値
はあまり大きくしないこと。nを大きくしても問題のない簡単な例はnま
での累算（sum(n) = sum(n-1) + n）である。例えば、1から10までの
足し算を再帰プログラムで書き、前述したストレートなプログラムと結果
を比較してみよう。また、デバッガで動作を追いかけると再帰プログラム
がどのように動くか分って勉強になる（次々とたらい回ししていく様子、
また終端条件に達して呼ばれた側にもどっていく様子は感動もの！）。
再帰というのは関数の呼び出しに関するものと理解してほしい。数学で
言うと漸化式に当たる。例えば階乗n!は1からnまで順に掛けたものだと定
義されるが、これを
n! = (n-1)! * n
と捉えることができる。この式には、仮にn!が（関数の形で）定義され
ているなら、 n!を計算するのに直接計算せず、(n-1)!を計算して、その結
果にnを掛ければ答が出る ことを示している。
ある計算をするプログラムのまとまりをc言語で関数と呼ぶが、今仮に
階乗を計算する関数をkaijo(n)と表す。c言語では、プログラムの中に関
数を書くと、それが呼び出され答えが返る。
例えば
n = 10;
kotae = kaijo(n);
とすれば、kotaeに10!が得られるようにできる。
この呼ばれる側のkaijoのプログラムが一番肝心のところである。
これを
ans = 1;
for(i =1; i <= n; i++){
ans = ans * i;
}
としては再帰とは言わない。自分をきめるのに自分自身を使うというの
が再帰の考えである。
となると、
ans = kaijo(n-1) * n;
がkaijoの心臓部となる。もし、nなる値でkaijoが呼ばれたら、n-１でま
たkaijoを呼び出す。そうしたら、プログラムは自然にn-2でkaijoを呼び
す。これがずっとくり返される。このままだと、nの値がどんどん小さ
くなって、最後は-∞になってしまう。c言語では-∞は表せないので、
プログラムは暴走し、答えも得られない。
そこで、1!=1と定義しておく。kaijoのプログラムの最初にこの条件を
みたしているか調べ、そうなら答として1を返すようにするのである。
デバッガの使い方を覚えて、再帰のプログラムをデバッガのもとに動か
してみると理解が一層深まる。
参考書
1.カーニハン、リッチー著 石田訳：プログラミング言語C、共立出版、
2800円
2.J.Purdum著 石原訳：Cプログラミング、丸善、2678円
3.カーニハン、パイク著 石田晴久訳：UNIXプログラミング環境、ア
スキー出版局、3800円
1.はc言語の開発者自らが書いたもので権威がある（著者の頭文字をとっ
てK&R本といわれることがある）。c言語の相当のベテランが見ても
参考になるヒントがたくさんある。ただし、全部がつながっているの
で、途中から読み始めたり、辞書的に利用するには適さない。
2.は教科書的に書かれた名著、説明がていねいで初心者の陥りがちな点
への注意が述べてある。途中から読んでもハンドブック的にも使える。
3.c言語とは離れるがUNIXのコマンド体系について学ぶのに適する名著
である。これもUNIXの開発者が書いている（K&P本）。
質問・連絡は oshima%kaiyodai.ac.jpまで