06 月 17 日（金）1-2h

関数とポインタ

ソースコードを複数個の関数に分割すれば， プログラムを 3C（正確・明解・簡潔）で高品質な形に作りやすい， ということを以前学習した．

今回はさらに，ポインタを利用した関数呼び出しについても理解しよう．

関数の呼び出し方法

プログラミング言語の一般論として， 関数やサブルーチンの呼び出しのとき，引数の使用方法には， 次の２種類がある：

なお，「実引数」とは呼び出し側で与えるデータ（定数や変数の値）， 「仮引数」とは呼び出され側でデータを受け取る変数（値を入れる箱） のことだ． 以前の説明を確認しよう．

Ｃ言語の場合，関数呼び出しは， すべて，値渡しとして実行される．　 しかし，ポインタを引数にすれば， 実質的に，参照渡しと同じことになる．

参照渡しを基本としている言語もある． （例：FORTRAN，BASIC）

データ型によって呼び出し方法を切り替えられる言語もある． （例：C++，Java）

Call by Value

Ｃの関数呼び出しの基本は値渡しとなっている． たとえば： 

void func(int x)	// 仮引数の x
{
	...
}

main()
{
	int x = 1;
	func(x);	// 実引数の x
	...
}




このコードの仮引数の x と実引数の x とは，
名前と値は同じであるが，
実体は互いに別物である．
（同名・別物の変数 x が２個ある．）




なお，名前を別々に変えても，値は同じで，実体は別物になる．
つまり，実引数と仮引数の間の名前の違いは，まったく重要ではない．
（同じ名前でも，異なる名前でも，どちらでも構わない．）




このため，値渡しでは，
呼び出された関数内で仮引数を変化させても，
呼び出した側の実引数は変化しない．
たとえば，２つの変数 a，b
の値を交換するための関数 swap( ) として，
List 1 のように定義してもうまく働かない．





List 1.　関数 swap( ) の定義の失敗例
swap-ng.c


/* 変数 a，b の値を交換する関数 */
void swap(int a, int b)
{
	int tmp;

	tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;

	printf("swap : a = %d , b = %d\n", a, b);	// テスト出力：関数内での交換後の値
}
	
main()
{
	int a = 2, b = 9;

	printf("main : a = %d , b = %d\n", a, b);	// テスト出力：交換前の値
	swap(a, b);
	printf("main : a = %d , b = %d\n", a, b);	// テスト出力：交換後の値
}








ちなみに，変数 tmp は，
一時的（temporary）に値を記録しておくためのものだ．
一時変数なしで，たとえば，a = b; b = a;  としても
交換にはならない．
この場合，a も b も
同じ値（元の b の値）になってしまう．




また，List 1 では，printf( ) が複数の場所に分散しているが，
これは，あくまでも実験的なテスト出力のためだ．
ふつうの実用的なプログラムでは，
結果出力のための printf( ) を
一箇所（例：main( ) 内だけとか）にまとめて記述すること．






List 1 の実行中のメモリマップの変化の様子を Fig.1 に示す．
main( ) 内の変数 a，b と
swap( ) 内の変数 a，b は
「名前は同じだけど実体は別物である」
ということに注意しよう．
そのため，
swap( ) 内で変数値を書き換えても，
main( ) 内の変数値は変わらない．







Fig.1　swap-ng.c のメモリマップ





いつものように，Fig.1 のアドレスは「てきとー」です．
List 1 を改造し，各変数の実際のアドレスを表示してみるとよい．







Call by Reference




Ｃで参照渡しを実現するには，
関数の引数を，変数の実体としてではなく，
変数へのポインタとして定義する．
List 2 は，List 1 をそのように修正したものだ．
このプログラムを実行して，
変数 a，b の値が
うまく交換されることを確認してみよう．





List 2.　関数 swap( ) の定義の成功例
swap-ok.c


/* 変数値 a，b を交換する関数 */
void swap(int *a, int *b)
{
	int tmp;

	tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;

	printf("swap : a = %d , b = %d\n", *a, *b);	// テスト出力
}
	
main()
{
	int a = 2, b = 9;

	printf("main : a = %d , b = %d\n", a, b);	// テスト出力
	swap(&a, &b);
	printf("main : a = %d , b = %d\n", a, b);	// テスト出力
}






まず，呼び出し側（main() 内の swap() の呼び出し）では，
実引数の変数名に & を付けている．
つまり，変数の値ではなく，そのアドレスを実引数としている．




入力関数 scanf( ) の呼び出し方法と同じだ．




そして，呼び出され側（void swap(...) { ... }）では，
仮引数の変数名に記号「*」を付けている．
つまり，
実引数に与えられたアドレスを受け取るため，
ポインタを仮引数としている．




なお，値交換の処理（たとえば *a = *b）での記号「*」は，
間接参照（ポインタの参照先に記録されているデータ）を
処理の対象とすることを意味している．




引数宣言の部分と処理内容の部分とで同じ記号「*」を使っているが，
違う意味をもつので注意しよう．
ポインタについて自信がなければ，
以前の説明を読み直そう．




List 2 の実行中のメモリマップの変化の様子を Fig.2 に示す．
swap( ) 内の処理によって，
main( ) 内の変数値を書き換えていることがポイントだ．
Fig.2 の左右でのメモリマップの変化に注目しよう．
また，Fig.1 とも比較しよう．







Fig.2　swap-ok.c のメモリマップ





なお，一見，参照渡しの方が便利に思えてしまい，
何でも参照渡しにしてしまいたくなるかもしれない．
しかし，実際には，値渡しで十分な場合の方が多いハズだ．
うまく使い分けること．
本当に必要なときだけ参照渡し，
普段は値渡し．






何でも参照渡しでやろうとすると，場合によっては，
呼び出し側で余計な手順が必要になり，
ソースコードの可読性が損なわれる．




ちなみに，参照渡しでは，引数が戻り値を兼ねていることになる．
これを利用すれば，実質的に複数個の戻り値をもつ関数も定義できる．
（return される本当の戻り値は１個または０個だけだが...，
引数を戻り値として代用する．）







例：ソーティングプログラム




関数 swap( ) を利用した意味のあるプログラムの例として，
ソーティング（sorting；並べ替え）プログラムを紹介する．
アルゴリズムとしては，単純な選択ソート法を利用する．




List 3 は，その不完全なソースコードである．
省略部分（...）については，各自で補完してみよう．





List 3.　ソーティングプログラム mysort.c


/* 変数値 *a，*b を交換する関数 */
void swap(int *a, int *b)
{
	...			// *a と *b を交換
	// printf(...);		// テスト出力...もう，理解したので不要．削除．
}

/* 配列 data の n 個の要素をソートする関数 */
void sort(int *data, int n)
{
	int i, j;

	for (i = 0; i < n-1; i++) {
		for (j = i+1; j < n; j++) {
			if (data[i] > data[j]) swap(data + i, data + j);
			// ↑ または，if (...) swap(&data[i], &data[j]); でも同じ
		}
	}
}

/* 配列 data の n 個の要素を表示する関数 */
void print(int *data, int n)
{
	...
}

/* 配列 data に値を入力する関数
 * m：最大の要素数
 * return：入力した要素数
 */
int input(int *data, int m)
{
	int i, n;

	printf("データの個数（%d 個以内）> ", m);
	scanf("%d", &n);	// そうか，scanf( ) も実は参照呼び出しだったんだー

	printf("%d 個の整数 > ", n);
	for (i = 0; i < n; i++) {
		scanf("%d", data + i);
		// ↑ または，scanf("%d", &data[i]);
	}

	return (n);
}

main()
{
	int data[100];
	int n;

	n = input(data, 100);

	printf("ソート前：\n");
	print(data, n);

	sort(data, n);

	printf("ソート後：\n");
	print(data, n);
}									






ところで，関数 sort( ) ，print( )，input() は，
配列 data[100] が引数になっている例だが，
実引数が配列名 data となっているのに対して，
仮引数はポインタ *data となっている．
このことは，「配列名は配列の先頭アドレスを表わす」という規則
（説明済み）
から理解できるハズだ．
つまり，
実引数が配列の場合，
自動的に（有無を言わせず），
参照渡しとなる．




違いに注意せよ．
すでに説明した通り，実引数が普通の単独の変数の場合，値渡し．




というわけで，List 3 の交換関数 swap() についても，
他の関数と同様，データ配列を引数として，
次のように定義しても良い：



void swap(int *data, int i, int j)
{
	...		// data[i] と data[j] を交換...
}




省略部分のコードを各自で補完してみよう．




なお，main( ) 内の data は配列名なのでアドレスだが，
他の関数内の *data はポインタ（アドレスを記録する変数）だ．
また，配列の要素 data[i] は通常の変数だ．
記号「*」や「&」の使い方について，混同しないこと！
以前の説明を再確認せよ．





補足



配列が引数になる場合，
たとえば sort( ) を次のように定義することも可能：
（List 3 の定義方法と比較せよ．）



void sort(int data[100])	// 可能だがよろしくない
{
  ...
}




これだと，この関数は，引数配列が要素数 100 の場合だけにしか使えないことになり，
再利用性が低いので，あまり良い方法ではない．
もちろん，ソースコードを書き換えれば要素数を変更できるが，
定数 100 が複数の場所（main() 内，swap() 内，その他）
に重複・散在してしまうので，変更作業が面倒になってしまうし，
作業ミスなどで矛盾が発生する可能性が高い．




必ず次のように，要素数を仮引数にせよ：



void sort(int data[], int n)	// 要素数を可変に
または
void sort(int *data, int n)




この方法であれば，
要素数の異なる複数の配列に対して，
ひとつの関数を使いまわすことも可能になる：



int data1[100], data2[256];
...
sort(data1, 100);
sort(data2, 256);









練習問題




以前作成した
analyzer.c を
適切に関数分割せよ．
（機能ごとに 関数を定義する．
引数について，値渡しと参照渡しとを使い分ける．
それぞれの関数には機能にふさわしい名前を付けること．）




理想的な分割方針としては，１つの関数には１つの機能だけを与えるとよい．
ちなみに，「機能」も「関数」も英語では同じく "function" という．
つまり，１つの関数に複数の機能を組み込んでしまうのは不適切．




関数分割の一例：





これは，あくまでも一例．
「もっと素晴らしい分割方法はないか？」を考えよう．




ヒント：以前の analyzer.c では，
入力データを各瞬間には１個だけしか記録していなかった．
今回は，すべてのデータを配列に記録しておく必要がある．
List 3 を参考にしよう．
ただし，入力終了には，List 3 のような事前のデータ数入力ではなく，
以前の analyzer.c のように番兵を使うこと．




注意：






余裕のある人は，さらに機能を拡張してみよう．








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