制御構造（１）選択

複雑なプログラムを簡単に設計・実装できるようになるために， 「構造化プログラミング」の考え方について理解しよう．

教科書 pp.67-73 を参考にしながら，作業を進めて行こう．

• 構造化プログラミングと NS チャート
• 条件式
• if 文
• 選択構造の使用例（１）
• if 文の推敲
• switch 文
• 選択構造の使用例（２）
• 練習問題
• 補足（１）
• 補足（２）

構造化プログラミングと NS チャート

一般に，次の３種類の制御構造 だけを組み合わせれば， どんなに複雑な手続きでも記述できる：

• 連接構造（or 順次構造）： 順番に処理を実行する．
ソースコードの上方から下方へ一文ずつ順に実行．
• 選択構造： 場合に応じて実行する処理を切り替える．
実行するか／実行せずに読み飛ばすかを選ぶ． アルゴロジックの「IF 前に壁」や KTurtle の if 文，等がこれだ．
• 反復構造： 同じ処理を繰り返す．
文の実行順序を変え，上方に戻る． アルゴロジックの「LOOP」， KTurtle の repeat 文， Ｃ言語の for 文，等がこれだ．

構造化プログラミングと呼ばれるプログラム作成の流儀では， これら３つの制御構造だけを利用してソースコードを記述する． 構造化されたソースコードでは，全体像がわかり易くなるので， この授業でも，基本的には，この方法論を採用する．

なお，他の制御構造として，跳躍（ジャンプ，goto）もある． 処理の全体像がわかりづらくなってしまう原因になり得るので， 本当に必要な場合以外，これを使ってはならない．

制御構造を直観的に理解するための道具として， Fig.1 のような NS チャート（Nassi-Schneiderman chart）を紹介しておく．

Fig.1.　制御構造と NS チャート

Fig.1 は，次のようなソースコードと対応している：

// 連接
処理A
処理B
処理C
処理D		

// 選択
if ( 条件 ) {
	処理A
	処理B
	処理C
} else {
	処理A'
	処理B'
	処理C'
}		

// 反復
for (i = 0; i < n; i++) {
	処理A
	処理B
	処理C
}				

以下，今回は「選択構造」について勉強しよう．

条件式

選択構造での分岐条件や反復構造での反復条件を指定するために， 次のような条件式（または関係式）を利用する：

• 等式： 等値演算子（==，!=）による数値の比較
• (式 == 式)： 左辺値と右辺値は等しい（＝）
• (式 != 式)： 左辺値と右辺値は等しくない（≠）
「=」ではなく， 「==」であることに注意． 「=」だと，比較ではなく，変数への代入になってしまう． そして，意図しない代入の結果，変数値が変わってしまうと，当然， プログラムは異常な動作を始めることになる． ありがちなミス．
• 不等式： 関係演算子（<，>，等）による数値の比較
• (式 < 式)： 左辺値は右辺値より小さい（＜）
• (式 <= 式)： 左辺値は右辺値より小さいか等しい（≦）
• (式 > 式)： 左辺値は右辺値より大きい（＞）
• (式 >= 式)： 左辺値は右辺値より大きいか等しい（≧）
• 論理式： 論理演算子（&&，||，等）による 真理値の判定
• (条件式 && 条件式)： 左右の条件式の両方が成り立つ（AND）
• (条件式 || 条件式)： 左右の条件式の一方が成り立つ（OR）
• (!条件式)： 条件式が成り立たない（NOT）

各条件式について，括弧 ( ) で（しつこく）囲んでおくことを推奨する． たとえば，次のように：

if (((x == 0) && (y == 0)) || (z == 0)) ...

これは，演算の優先順位を明確化するための措置．

• 四則演算だけの優先度ならば，一般常識として決まっているので， 格好良くシンプルに． 「余計な括弧をつけるな．」
• 関係演算や論理演算も混ざった複雑な条件式の優先度については， 各プログラミング言語によっても異なるので， 括弧を省略すると混乱の元凶となる． 「格好をつけずに括弧をつけろ．」
• 長すぎる条件式を書いてしまったら，推敲が必要．（後述．）

詳しくは，教科書 pp.51-52 を参照．

if 文

真／偽，Yes／No，1／0，ON／OFF のような二者択一で処理を場合分けするには， if 文を利用する． 一般形は次の通り：

if ( 条件式１ ) {
	条件式１が成立した場合の処理
} else if ( 条件式２ ) {
	その他の場合で条件式２が成立した場合の処理
} else if ( 条件式３ ) {
	...
} else {
	その他の場合の処理
}

また，このコードに対応する NS チャートは，Fig.2 のようになる．

Fig.2.　if 文（一般形）の NS チャート

コードがちょっと複雑に見えるが， 次のような省略も可能なので安心してよい：

• else if や else の処理が無い場合， else if { } や else { } の記述を省略できる．
• 各場合の処理が単文（式;）であるときには， ブロック化のための括弧 { } を省略できる．

もっとも単純な例：

• 条件式が成り立つ場合のみ文を実行する：

if ( 条件式 ) 文;

単文の場合，括弧 { } を省略．
• 条件式が成り立つ場合には文１を実行し， 成り立たない場合には文２を実行する：

if ( 条件式 ) {
	文１;
} else {
	文２;
}

このように if 〜 else が複数行にわたる場合には， どの条件でどの文が実行されるのかをはっきり区別するため， ブロック内が単文の場合であっても括弧 { } を省略しない方が良い． あとで文を追加するためにも役立つし．

悪い例：

if ( 条件式 ) 文1; 文2;

これは文法的にはまちがっていないが， 動作的には意図した通りなのか？ 混乱を避けるため，次のどちらかの形式で記述すること!!

if ( 条件式 ) 文１;
文２;

if ( 条件式 ) {
	文１;
	文２;
}

選択構造の使用例（１）

では，if 文の簡単な使用例として，List 1 を試してみよう．

// 1 から 20 まで数えます．
// ただし，3 の倍数のときだけ関西弁になります．
main()
{
	int  i;  

	for (i = 1; i <= 20; i++) {
		printf("%d", i);		// 数を表示
		if (i%3 == 0) {		// 3の倍数のとき
			printf("でっせ．\n");	// 関西弁
		} else {		// その他のとき
			printf("です．\n");	// 標準語
		}
	}
}

なお，記号「%」は剰余（割り算の余り）の演算子である． もし，i/n の剰余が 0 の場合，i は n の倍数ということになる．

次に，問題を少しだけ複雑にする． List 1 を改造し，List 2a を作ってみよう．

// 1 から 20 まで数えます．
// ただし，3 の倍数のときだけ関西弁になります．
// しかも 4 の倍数のときには自信がなくなります．
...
		if (i%3 ==0) {
			if (i%4 == 0) {			// 4の倍数のとき
				printf("でっしゃろか？\n");	// 関西弁で自信なく
			} else {			// その他のとき
				printf("でっせ．\n");		// 関西弁
			}
		} else {
			if (i%4 == 0) {			// 4の倍数のとき
				printf("だったかな？\n");		// 標準語で自信なく
			} else {			// その他のとき
				printf("です．\n");		// 標準語
			}
		}
...

これでは，if や else が多すぎる気がしないか？ 同じ if (i%4 == 0) を 2 回も書いているし... というわけで，List 2b のように書き換えてみよう．

...
		if ((i%3 ==0) && (i%4 == 0)) {		// if (i%12 == 0) でも同じ
			printf("でっしゃろか？\n");
		} else if (i%3 == 0) {
			printf("でっせ．\n");
		} else if (i%4 == 0) {
			printf("だったかな？\n");
		} else {
			printf("です．\n");
		}
...

動作は変わらないが， コードは短くなった気がする． しかし，まだ場合分けが複雑な気がしないか？

if 文の推敲（すいこう）

if 文には， 同値な複数通りの書き方があり得る． もっとも良い書き方を選りすぐろう．

特に，else や else if が多く現れると， 全体の見通しが悪くなりがちだ． 使わずに済むときには，else を使わないこと．

また，条件式を充分に吟味（ぎんみ）しよう． たとえば，考えていた条件とは逆の条件にした方がわかり易くなるかもしれない． つまり，「〜である場合，〜する」だけではなく， その逆に，「〜ではない場合，〜する」についても考えてみよう． そして，ソースコード的にわかり易くなる方を採用しよう．

たとえば：

if (x != 0) {
	...
} else {
	return;		// x≠0 なら終了
}

ではなく，次のように書くべき：

if (x == 0) return;	// x＝0 なら終了
...

条件を逆にすることで，コードを短くできた．

さらに，論理演算子に頼りすぎるのも悪い兆候だ． たとえば：

if ((条件A) && (条件B)) {
	処理A
	処理B
} else if (条件A) {
	処理A
} else if (条件B) {
	処理B
}

ではなく，次のようにすべき：

if (条件A) { 処理A }
if (条件B) { 処理B }

要するに，プログラミング作業に入る前に， 問題を充分に分析しておこう．

switch 文

選択肢がたくさんあるような多重分岐の場合には， 次のように，switch 文を使うと便利だ：

switch ( 式 ) {
case 値１ :
	式が値１に等しい場合の処理
	break;
case 値２ :
	式が値２に等しい場合の処理
	break;
	...
default :
	その他の場合の処理
	break;
}

Fig.3 は，switch 文の NS チャートである．

Fig.3.　switch 文（一般形）の NS チャート

なお，switch 文の利用に当たっては， 次のような注意が必要：

• 式の型として， 整数（int 型）か文字（char 型）しか使えない．
Cでは，残念ながら，switch 条件に実数や文字列は使えない．
• case の値には，定数しか使えない．
変数とか計算式 は NG．
• case と次の case（または default）の間に， break; を付け忘れないこと．
break; を外してしまうと， その次の case の処理に連接してしまう．

詳しく，教科書 pp.71-73 を参照．

選択構造の使用例（２）

List 2a および 2b の問題について， List 3 のように，コードをさらに書き換えてみよう．

...
	int  kansai;	// 関西弁フラグ
	int  jishin;	// 自信フラグ
...
		kansai = (i%3 == 0) ? 1 : 0;
		jishin = (i%4 == 0) ? 0 : 1;

		switch (kansai*0x10 + jishin) {
		case 0x00: printf("だったかな？\n"); break;
		case 0x01: printf("です．\n"); break;
		case 0x10: printf("でっしゃろか？\n"); break;
		case 0x11: printf("でっせ．\n"); break;
		default: break;
		}
...

コードは長くなってしまったが， 場合分けの処理が単純化されている． 動作は変わっていない．

なお，フラグ（flag；旗）とは， 0 か 1 かどちらかの値をとる変数のことである． 条件の判定結果を保存しておくために利用する． また，0xXX は， 数値 XX が 16 進数表記であることを示している． （たとえば，10進数の 16 を 16 進数で表わすと 0x10 となる．）

以上，同じ問題に対して， 複数の異なるコーディング方法があることが理解できただろうか？ さまざまな方法を考え， 状況に応じて最適な方法を見分け， 使い分けて行こう．

練習問題

1. 前回の averager.c を元にして， 最大値および最小値を求めるプログラム maxmin を作成せよ．

動作例：

$ ./maxmin
number of data > 5
5 integers > 11 31 -7 0 -12
max = 31
min = -12

負の数も考慮すること．

最大値・最小値の初期値を定数（例えば，ゼロ）にするのは間違い． 最初の入力データを初期値とすればよい． Hint：if (最初) 初期化;
2. 次のコードの実行結果について：

   int a = 0;
   
   if (a == 0) printf("Bingo!\n");
   printf("%d\n", (a == 0));	// 条件式の値を確認
   
   printf("%d\n", a);		// 変数の値を確認
   

   条件式「a == 0」の部分を 以下のように変更するとどうなるか？

   注意：変更箇所は２個ある．どちらも同一内容に書き換えること．
   • 「a = 0」 や「a = 1」 や「a = 2」 のような代入式へ書き換えてみる．
   つまり，if (a = 0) ... とかにする． 「==」と「=」は，まぎらわしいので， わざと間違えてみる．
   • 「0」 や「1」 や「2」 のような定数へ書き換えてみる．
   つまり，if (0) や if (1) とかにする．

   そして，これらの実験結果から， if 文の動作原理や条件式の意味について考察せよ．

   ヒント：条件式も代入式も式なので， たし算やかけ算などと同様に， 計算結果として値を持っている． その値は何なのか？ そして，それが if 文でどのように取り扱われているのか？ という問題...

補足（１）：練習問題のヒント

最大値だけを求めるプログラムの NS チャートの一例を Fig.A に示す．

Fig.A.　最大値算出の NS チャートの例

練習問題では，最小値も求める必要がある． 結果表示も省略されている．

また，このチャートのままでは，コードに無駄があるかもしれない． （同じ処理「最大値＝データ」を２回も書いてしまっている．） 各自で工夫しよう．

補足（２）：三項演算式

「処理の場合分け」には if 文だが， 「値の場合分け」の場合には 三項演算式の方が便利だ．

たとえば，こんな if 文：

if (x < 0) {
	y = -x;
} else {
	y = x;
}

これを三項演算式で書けば：

y = (x < 0) ? -x : x;	

このようにコンパクトに記述できる． 教科書 pp.63-64 を参照．