Cプログラミング入門 - Nakamura Laboratory

第１回
三輪忍

ソフトウェア設計技術の基礎の習得

ソフトウェア設計の目的：
◦ 人間が意図した作業を代わりにコンピュータに行わせること

なぜ？
◦ 人間は面倒なことはやりたくない
◦ コンピュータは疲れない

そのための方法論を学ぶ
◦ C 言語を題材に

目的：ソフトウェア設計スキルの習得

普通は，
◦ 講義でプログラミング理論を教える
◦ 演習で実装して理解を深める

それぞれ半期ぐらい

『情報科学』（準必修，１年後期）
◦ Ruby を用いたプログラミングの講義と演習

空白の１年

この授業
◦ C を用いた３回の演習だけ．．．
◦ スタート時点での理解度がばらばら

基本は演習
◦ これから課題を提示
◦ 出席とレポートで評価

課題の提示後に簡単な講義（１回だけ）
◦ プログラミングをまったく理解していない人向け
 『情報』『情報科学』を履修していない人
 ほとんど忘れてしまった人
◦ 進められる人は講義中に課題をやってもよい

第１回（４/９）
◦ 演習 or 講義（『コンピュータ概論と C 文法の基礎』）

第２回（４/１６）
◦ 演習

第３回（４/２３）
◦ 演習

レポート提出（５/１正午まで）

内容
◦ 実装したプログラムをレポート形式で報告
◦ 実装が十分理解できればソース・コードを提出する必要はない

提出方法：E-Mail
◦ 宛先：[email protected]
◦ Subject：【プログラミング入門レポート】学籍番号：氏名
◦ PDF で

巡回セールスマン問題の近似解を求めるプログラムを作
成せよ．作成したプログラムを用いて、下記の都市データ
の最短経路を求めよ．
100
75
100
125
125
75
125
50
50
100

都市データのファイル

http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/ja.txt
都市1

データ・ファイルの見方
149
◦ 1行が1都市に相当
◦ 各行の3つの数字の意味（例：”1 288 149”）
288
 都市の番号（”1”）
 （都市の位置を 2 次元平面上にプロットした場合の） x 座標（”288”）
 y 座標（“149”）

レポートに書くべきこと
◦ 実装したアルゴリズムの説明
◦ 求めた解（ルート，総移動距離）

解の精度とアルゴリズムの面白さで評価

まだ訪問していない都市の中で最も近いものを選択
スタート
100
75
100
125
125
75
125
50
100
50

生活を豊かにする便利なもの
◦
◦
◦
◦
◦

インターネット端末
ワード・プロセッサ
電子書籍リーダ
携帯電話
etc
どんなシステム？？？

融通のきかない人
◦ あらかじめ決められた手続きしかできない
◦ 決まった言葉（言語・文法）しか理解できない

プログラム
◦ コンピュータに行わせる一連の手続き
◦ 命令の集合として記述
Ex.) C = A + B

Memory
◦ 命令やデータを格納する領域

CPU（Central Processing Unit）
◦ メモリから命令やデータを取得
◦ 演算を行う装置
詳しくは『計算システム論第２』で
CPU
C
C=A+B A B
Memory

プログラム
◦ コンピュータに行わせる手続き
 命令の集合
◦ 最終的には機械語（アセンブリ）
 「01001110 …」

人間が直接書くのはほぼ不可能
◦ 昔は書いてた
 『マイコンプログラミング演習』でもやる
◦ ちょっと複雑になると無理

高級言語
Ex.) Fortran, C, Java, Ruby, …
◦ これなら何とかなる（for 人間）
◦ 理解不能（for コンピュータ）

コンパイラ
◦ 翻訳を行うプログラム
◦ 高級言語で記述されたものを機械語へと変換
機械語
高級言語
コンパイル

web を参照
◦ http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/exp-C.html



プログラムの基本構造
データと演算
制御の流れ

問題：
◦ 進振り対象の学生の成績データ（平均点のデータ．3,000人分）が
手元にある．中央値を求めなさい．
Ex.) 75点，95点，63点，70点，82点，・・・

どうやって？
◦ 人間が集計
数日仕事
 データを昇順に並び替え（ソート）
1,500人目
 1,500人目を探す
Ex.) 60点，60点，62点，63点，65点，・・・，77点，・・・
◦ コンピュータに集計させる
数分仕事

バブル・ソート
◦ 左端から右端に向かって以下の操作を行う
 隣り合うデータの大小を比較
 昇順になっていなかったら入れ替え
◦ 右端に到達したら左端に戻ってやり直し
◦ 計算量：最悪 O (n^2)
１回目
２回目
63点
75点
75点
70点
63点
95点
swap
70点
75点
63点
95点
swap
70点
95点
82点
swap
82点
95点
ヘッダ
#include <stdio.h>
main ( ) {
int i, j, tmp;
int data [3000];
文
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
}
}
関数
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );
ファイル median.c の内容

処理のまとまり
◦ 複数の文からなる

サブルーチンを実現（後述）

普通は繰り返し行われる処理を関数化
◦ 同じことを何度も書くのは面倒
◦ バグのもと

main 関数
◦ プログラムの実行開始地点を表す
◦ 普通は最初に1回呼ばれるだけ
#include <stdio.h>
main ( ) {
int i, j, tmp;
int data [3000];
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
}
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );

処理の最小単位
◦ 「A を B に代入する」
◦ 「文字を出力する」


「 ; 」の次の文字から「 ; 」まで
１文/行がマナー（例外アリ）
#include <stdio.h>
main ( ) {
int i, j, tmp;
int data [3000];
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
}
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );

ヘッダ・ファイルの展開（include）

ヘッダ・ファイル
◦ 複数のファイルで使用される関数などを宣言
◦ あらかじめ用意されていることもある #include <stdio.h>
main ( ) {
int i, j, tmp;
int data [3000];
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
}
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );
文字列を出力する関数
（printf）の宣言があるヘッダ・
ヘッダ
ファイル（stdio.h）を include
プログラムの開始地点
#include <stdio.h>
main ( ) {
バブル・ソートint i, j, tmp;
int data [3000];
処理の方向
文
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
関数
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
中央値を出力
プログラムの終了
}
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );
ファイル median.c の内容

プログラムの大部分はデータに対する演算
◦ 「隣り合う２つの点数を比較する」
◦ 「２つの点数を交換する」など
データ演算

75
データ
◦ 定数：変更不可
（e.g. “1500”, “3000”）
◦ 変数：値の入れ物．中身を変更可能
（e.g. “i”, “j”, “tmp”）

63
tmp
データ型
◦ データを扱う形式
◦ コンパイラが機械語を生成する際のヒント
 “A + B”
95
整数の加算 or 浮動小数点の加算？

基本型
◦
◦
◦
◦

char：1B の数値．文字の型としても使用
int：整数（通常 4B）
float：単精度浮動小数点（通常 4B）
double：倍精度浮動小数点（通常 8B）
修飾子
◦ 長さ（short, long）
◦ 符号（singed, unsigned）

使い方（変数に限らない）
◦ 最初に型を宣言
◦ どこかで定義（宣言を兼ねることも）
◦ 後は普通に使用

宣言/定義の位置
◦ グローバル
宣言（定義は
別のファイル）
関数の冒頭で
宣言/定義
#include <stdio.h>
main ( ) {
int i, j, tmp;
int data [3000];
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
}
 関数の外で宣言/定義
 そのファイル中のどこでも参照可能
◦ ローカル
 関数の冒頭で宣言/定義
 その関数内でのみ参照可能
使用
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );

配列
◦ ベクタ，行列
◦ インデクス付けされたデータの集合
Ex.) 3,000人分の平均点データ
 int data0, data1, …, data2999;
 “data [ i ]” で i 番目の要素にアクセス

ポインタ
◦ データのアドレスを格納する変数
int data [3000];

基本的には同じ型のデータ同士

種類
◦ 算術演算（+, -, ＊, /, %）
◦ 論理演算（&, |, ^, <<, >>, ~）
◦ 関係演算（<, >, >=, <=, ==）
 結果は真（１） or 偽（０）
◦ 代入演算（=）
 “A = B” は「A に B を代入する」
#include <stdio.h>
main ( ) {
int i, j, tmp;
int data [3000];
j 番目のデータが
j+1 番目のデータ
よりも大きいか比較
j 番目のデータ
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
を tmp に退避
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
}
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1]; データ交換
data [ j + 1 ] = tmp;
}
tmp のデータを
j+1
}
番目の位置に代入
}
j+1 番目のデータを
j 番目の位置に代入
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );
ファイル median.c の内容
ソース・コード

基本
◦ 左から右へ
◦ 上から下へ

流れを変えたいこともある
◦ 条件付き実行
 「左のデータの値が右のデータの値よりも大きい場合は交換する」
 「3000回繰り返す（カウンタが3000を超えたら繰り返すのをやめる）」
◦ 関数呼び出し
 “ printf () ”

分岐
◦ if 文
◦ switch 文

ループ
◦ for 文
◦ while 文

サブルーチン

条件によって実行する部分を変更
◦ if 文：
条件の真偽により変更
if ( A ) {
A が真の場合
B;
} else {
A が偽の場合
C;
}
◦ switch 文：
条件の値により変更
switch ( x ) {
case 0:
A;
x が0の場合
break;
case 1:
x が1の場合
B;
break;
}
#include <stdio.h>
main ( ) {
int i, j, tmp;
int data [3000];
j 番目のデータが
j+1 番目のデータ
よりも大きいか比較
結果が真の場合
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
のみ交換を行う
}
}
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );
ファイル median.c の内容

条件が成立している限り繰り返す

書き方は２通り
条件式
while ( B ) {
B B
◦ for 文 / while 文
D;
}
◦ どちらでも同じことが実現可能
D D
条件式
◦ 慣例として，
制御変数
制御変数
 for 文：制御変数が単調に変化する時
の初期化
の更新
（配列アクセスなど）
 while 文：それ以外
A
for ( A ; B ; C ) {
D;
}
B B
D D
C C
#include <stdio.h>
i
i が 2999 に達
main ( ) {
int i, j, tmp;するまで繰り返す
を初期化
int data [3000];
i をインクリメント
for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) {
for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) {
if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) {
tmp = data [ j ];
data [ j ] = data [ j + 1];
data [ j + 1 ] = tmp;
}
}
}
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );
ファイル median.c の内容

サブルーチン
◦ 別の処理を呼び出す
◦ 終わったら元の位置に戻る
◦ 関数呼び出し/復帰によって実現

関数
◦ 引数：呼び出し時に関数に渡す
データ
◦ 返り値：復帰時に元のルーチン
に返すデータ
返り値の型
第１引数
void printf ( char* s, … ) {
}
printf ( “median = %d\n”, data [1500] );

プログラムの基本構造

データと演算
◦ データには型が存在

制御の流れ
◦ 基本は左から右へ．上から下へ
◦ 流れを変えるもの
 分岐，ループ，関数呼び出し

カーニハン＆リッチー：
「プログラミング言語C 第２版」，共立出版

講義スライド
◦ http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/C1_2012.pptx

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