06 月 24 日（金）1-2h

記憶クラスとスコープ

今回はまず，これまでにほとんど説明もなく使ってきたＣの基本的な事項（{ } や ; など）について，正しく理解しよう．

Ｃ言語の「正しいプログラミング」への準備．

また，変数のさまざま性質について理解しよう．

ソースコードの構成要素
データのスコープ
データの記憶クラス
練習問題
補足1
補足2

ソースコードの構成要素

Ｃのソースコードは次のような単語・記号を要素として構成されている：

予約語：int や for など

すべての予約語の一覧が教科書 pp.233-234 に掲載されている．目を通しておこう．

演算子：= や + など

すべての演算子の一覧が教科書 p.65 に掲載されている．

データ：

定数：1.0 や "string" など
変数：i や x[3] など
関数：strlen( ) や printf( ) や main( ) など

変数とユーザ関数への命名規則について，教科書 pp.43-44 に説明がある．

データや演算子を組み合わせたものは式，予約語や式を組み合わせたものは文と呼ばれている．文の末尾には必ずセミコロン「;」が置かれる．

複数の文を中括弧「{ }」でまとめたものは，ブロックと呼ばれ，ひとつの文と同じように取り扱われる．これまでに何度も，for 文や関数とともに利用してきた．

ブロックの中に，さらにブロックを作ることも可能だ．たとえば，for ブロックの中に，さらに for ブロックとか if ブロックを入れてよい．ただし，一番外側のブロックは関数（名前付きのブロック）でなければならない．また，関数の中に関数を定義することはできない．

これらのブロック構造の規則については，教科書 p.67，102 にも説明がある．ちなみに，List 1 のように，名無しのブロックも作れる．

なお，ブロックの記号 { } は，文だけでなく複数のデータをひとまとめにするためにも利用される．たとえば，配列の初期化にも使っていた．

違いに注意：

データブロックの場合，たとえば「int x[256] = { };」のように，閉じ括弧の後にセミコロンが必要．
一方，処理ブロックの場合には，たとえば「for (...) { ... }」のように，閉じ括弧の後にセミコロンは不要．

データのスコープ

Ｃでは，異なる場所（ブロック）で定義された変数は，たとえ名前が同じであっても異なる変数として区別される．（名前は同じでも，異なるメモリ領域を使い，実体は異なる．要するに，同姓同名の他人だ．）

さらには，前回の再帰関数では，同じブロック内の変数でさえ，呼び出すたびに異なる変数になっていた．異なるブロック間なら，なおさら異なる．

たとえば，次のようなソースコードでは，関数 main( ) 内の変数 a, x と関数 sub( ) 内の変数 a, x とは，名前は同じだが，メモリ上の実体はまったくの別物になる：

sub()
{
	int	a;
	int	x;
	...
}

main()
{
	int	a;	// 上の a と同型同名だが，別物
	double	x;	// 上の x と異型だが，別物なので無問題
	...
}

変数 x の型の不一致については，そもそも別物なので，気にする必要はない．

名前と実体の区別については，変数だけでなく関数でも同様．たとえば再帰呼び出しの場合，前回の説明の通り，呼び出し側と呼び出され側は同じ名前の関数だが，実体は異なる物（分身，コピー）だった．

一方，複数の関数の間で同一の変数を共有したいという場合もある．そこでＣでは，変数のスコープ（scope；通用範囲）を使い分けられるようになっている：

ローカル変数（local variable；内部変数 or 局所的変数）：ひとつの関数内（あるいはブロック内）だけで通用する変数．各関数（あるいはブロック）内の先頭で宣言される．

この授業で今まで使ってきた変数は，すべてコレ．

グローバル変数（global variable；外部変数 or 大域的変数）：プログラム全体（すべての関数の間）で共通に通用する変数．関数の外部で宣言される．

コレは新出．

なお，ローカルとグローバルに同じ変数名が使われている場合，そのブロック内ではローカル変数だけが有効になり，グローバル変数は一時的に無効になる．

しかし，この能能を利用してはいけない．ローカルとグローバルに同じ名前をつけてしまうと，どちらの変数を使っているのか？混乱の元だ．

オススメの命名方法：

ローカル変数には短い名前（名詞の頭文字や省略形）
グローバル変数には長い名前（名詞そのまま省略しない）

List 1 のプログラムを実行し，グローバル変数とローカル変数の違いを考えてみよう． 同じ名前の変数がいくつも定義されているが，それぞれ異なる変数であることを確認しよう．

List 1.　スコープの実験 scope.c

// グローバル変数
char  *s = "global";
int   x = 100;

/* 関数 sub */
sub()
{
	printf("sub : s = %s , x = %d\n",s, x);
}

/* 関数 main */
main()
{
	// main( ) のローカル変数
	char *s = "local";
	int  x = 10;

	sub();

	printf("main1 : s = %s , x = %d\n",s, x);

	// 名無しブロック
	{
		// 名無しブロックのローカル変数
		char *s = "block";
		int  x = 20;

		printf("block : s = %s , x = %d\n", s, x);
	}

	printf("main2 : s = %s , x = %d\n", s, x);
}

変数の宣言（int x 等）については，必ず，ブロック内の先頭部分に記述すること．他の部分に記述しても許してくれるコンパイラもあるが，これはあくまでもＣ言語の方言であり，標準語ではない：

...
main()
{
	int  a;		// ブロック内の先頭での変数宣言...正しい

	a = 1 + 2;	// 何らかの処理
	printf(...);	// ...

	int  b;		// ブロック内の途中での変数宣言...誤り（動くが...正しくない）
	...
}

なお，グローバル変数を使えば関数間でのデータの受け渡しが楽になるので，「何でもグローバルにすればよい」と考えてしまう人がいる．しかし，よく理解しないまま利用してしまうと，思わぬトラブルの原因にもなる． うまく使い分けること．

本当に必要なとき以外，グローバル変数は使用禁止． 大抵の場合，ローカル変数で済むハズだ．

グローバル変数の罠：

グローバル変数とローカル変数で，間違えて同じ名前を使ってしまったり，どちらかの宣言を忘れてしまったりしても，コンパイルエラーにはならないので，その間違いを発見しづらくなってしまう．
間違って変数値を変更してしまったとき，グローバル変数の場合，その影響はプログラムの全体に及ぶため，間違いの原因を発見しづらくなる．ローカル変数ならば，その間違いの影響はそのブロック内だけで済む．

この授業では，グローバル変数の利用は必要最低限にとどめる．今回の課題以外で， 必要もなくグローバル変数を使ったレポートは減点対象． （将来，複雑なプログラムを作る段階になったら，グローバル変数とローカル変数とを適切に使い分けよう．）

データの記憶クラス

これまで使ってきたローカル変数は，その関数（ブロック）を実行する時に生成され，その関数（ブロック）を終了する時に消滅する．

生成・消滅といっても，物理的にメモリ容量が増えたり減ったりするという意味ではない．そのメモリ領域を確保したり放棄したりするだけだ．また，そのメモリ領域の場所は，確保する時に決定され，関数を呼び出すたびに変化する．

ただし，関数終了時に，メモリがクリアされるわけではないので，ローカル変数の値は，メモリ上にゴミとして残ることになる．しかし，それを当てにしてはならない．その領域は，他の関数によっても再使用されるので，その残されたゴミの値は書き換えられてしまう可能性が高い．つまり，次にその関数を呼び出した時には，以前の変数の値を忘れてしまっていることに注意しよう．

一方，以前の値を憶えておいて欲しい場合もある．そこでＣでは，変数の記憶クラス（storage class）を使い分けられる：

auto 変数（自動変数）：型名の前に auto を付けて宣言する．（または，auto を省略．）

これまで使ってきた普通の忘れっぽい変数．

関数（ブロック）の実行時に生成される．
初期値が指定されている場合，変数が生成される毎に初期化される．
関数（ブロック）の終了時に消滅する．（ゴミを残したままで．）

static 変数（静的変数）：型名の前に static を付けて宣言する．

記憶力の良い変数．

プログラムの実行時に生成される．
初期値が指定されている場合，初期化はプログラム実行時に一度だけ．
プログラムの終了時に消滅する．

「関数の実行時」と「プログラムの実行時」との違いに注意．

List 2 のプログラムを実行し，記憶クラスによる違いを確認してみよう．

List 2.　記憶クラスの実験 class.c

sub()
{
	auto   int  a = 0;		// 自動変数
	static int  s = 0;		// 静的変数

	printf ("a = %d , s = %d\n",a,s);	// テスト出力

	a = 10;
	s = 10;
}

main()
{
	printf("1st call :\n");
	sub();

	printf("2nd call :\n");
	sub();
}

静的変数の濫用もトラブルの元だ． 自動変数で済む場合は，自動変数を使うこと．

この授業では，...．今回の課題以外で，必要もなく静的変数を...同上．

変数の種類の選択順序：

ローカルな自動変数

↑ これが基本．これでうまくできない場合だけ，仕方なく...↓

ローカルな静的変数

↑ これでもうまくできない場合，仕方なく...↓

グローバル変数

↑ これは最終手段．

練習問題

引数の整数値を累積し合計値を返す関数を次の２通りの方法で定義せよ：

グローバル変数版 int accum1(int x)：合計値をグローバル変数として記録する．
静的変数版 int accum2(int x)：合計値を静的変数として記録する．

基本ソースコード：

// グローバル変数の宣言
...

// グローバル変数版の累積関数
int accum1(int x)
{
	...
}

// 静的変数版の累積関数
int accum2(int x)
{
	...
}

// テスト用メイン関数（書き換え禁止）
main()
{
	int i;

	// 累積関数による総和 Sn = 1 + 2 + ... + n の計算
	for (i = 1; i <= 10; i++) {
		printf("S%02d = %2d , %2d\n", i, accum1(i), accum2(i));
	}
}

また，静的変数を自動変数に変えるとうまく行かないことも確かめよ．

余裕のある人は，メモリマップについても実験してみるとよい．関数内で変数（グローバル変数，静的変数，自動変数）のアドレスを表示し，その変化を観察．（実は変化しないが，変数の種類によるアドレスの違いを観察．）

補足1

List 3 も試してみよう．自動変数がどのようにメモリを使っているか？メモリマップの変化を想像しながら，実行結果を確認しよう．注目すべきは，sub1( ) のゴミの値の変化．

List 3.　自動変数の初期値の実験 auto.c

sub1()
{
	int a;		// 初期化していない（メモリを書き換えていない）

	printf("sub1: %d\n", a);	// ゴミを表示
}

sub2()
{
	int b = 2;	// 初期化している（メモリを書き換えている）

	printf("sub2: %d\n", b);	// 初期値を表示
}

main()
{
	sub1();		// a=ゴミ
	sub1();		// a=ゴミ

	sub2();		// b=2
	sub1();		// a=何? なぜ?

	printf("%f\n", 1.234);		// この関数でも実はメモリを...
	sub1();		// a=何? なぜ?
}

sub1() 内と sub2() 内で，変数 a，b のアドレスも表示してみれば，わかりやすくなるかもしれない．

このように，自動変数であっても， static のように記憶できる場合もある．しかし，それを当てにしたプログラムを作ってはいけない．

補足2

List 4 では，静的変数と自動変数のメモリマップの違いについて確認しよう．

List 4.　クラスによるメモリマップの違いの確認 mmap.c

int sub1()
{
	auto   int  a;
	static int  s;
	printf("&a = 0x%08X  &s = 0x%08X\n", &a, &s);
}

int sub2()
{
	int  x[100];
	sub1();
}

int main()
{
	printf("sub1:\n");
	sub1();

	printf("sub2 -> sub1:\n");
	sub2();
}

sub1() だけ呼び出した場合と， sub2 経由で sub1() を呼び出した場合とで，自動変数 a のアドレスは変化する．一方，静的変数 s のアドレスは不変．