関数の定義と呼び出し

ライブラリ関数とユーザ関数

データ入出力や数学関数など， 多くのプログラムで共通に利用されるような基本的な処理手続きは， ライブラリ関数として，既に用意されている． これまでに利用してきた printf( ) や scanf( ) は， ライブラリ関数の例だ．

一方，ソースファイルの中に新たに定義する関数は， ユーザ関数と呼ばれている． なお，これまでのＣのソースではすべて， 先頭に main( ) が記述されていたが， これは特別なユーザ関数の定義だ． プログラムを起動すると，このメイン関数が最初に呼び出されることになっている． また，メイン関数の中から， 他の関数（ユーザ関数やライブラリ関数）が呼び出されることになる．

実用的なＣのプログラミング作法では， 複数の小さな関数を部品のように組み合わせることによって， ひとつの大きなプログラムを構成することになる．

関数の定義例（２）べき乗

次の例として， 整数のべき乗 z = x^y を求めるためのユーザ関数 power( ) を定義してみよう．

まず，List 3 は， 関数を定義しない場合（メイン関数だけを定義する場合）のソースコードだ．

main()
{
	int x, y;
	int z, i;

	printf("x, y > ");			// 入力部
	scanf("%d %d", &x, &y);	

	z = 1;					// 計算部
	for (i = 0; i < y; i++) {
		z *= x;
	}

	printf("%d^%d = %d\n", x, y, z);	// 出力部
}

なお，計算部にある z *= x は， z = z*x と同じことだ． （z*x の計算結果を z の新しい値としている．） この計算を y 回繰り返すと， z の値が x の y 乗になる．

さて，List 3 には，List 1 のような無駄な重複は見られないのだが，気にせずに， List 3 の計算部（べき乗の計算の処理手続き）を関数化してみよう． List 3 の内容を元にして，List 4 のように書き換えよう． （教科書 pp.30-31 にも同様なプログラムが載っている．）

/* x の y 乗 を計算する関数 */
int power(int x, int y)
{
	int z, i;

	z = 1;
	for (i = 0; i < y; i++) {
		z *= x;
	}
	return (z);
}

/* メイン関数 */
main()
{
	int x, y, z;

	printf("x, y > ");			// 入力部
	scanf("%d %d", &x, &y);

	z = power(x, y);			// 計算部 
	printf("%d^%d = %d\n", x, y, z);	// 出力部
		// 計算部と出力部を１つにまとめて...
		// printf("%d^%d = %d\n", x, y, power(x, y)); としても OK．
}

List 3 と比べると List 4 では， ソースコードが長くなっているように感じるかもしれない． しかし，メイン関数だけに注目すると， べき乗の具体的な処理の記述がなくなっている分，かなり短かくなり， 「プログラム全体の見通しがよくなっている」と思うハズだ． （メイン関数の部分だけをちょっと眺めるだけで， プログラムの全体像を把握できるようになった．）

また，他のプログラムの開発中に，べき乗関数が欲しくなった場合， List 4 の power() 関数のコードを変更なしにそのまま流用できる． これも関数化のメリットだ．

引数と戻り値

関数は，引数と戻り値を持つ． 引数（ひきすう）は関数の外部から関数の内部へ引き渡される値であり， 戻り値（リターン値，返り値）は関数の計算結果の値である． また，関数の処理内容の実行のことを関数呼び出しと言う．

List 4 の関数 power(x, y) の例では， x，y が引数， return (z) の z が戻り値である．

なお，呼び出し側と呼び出され側で引数を区別する場合には， 実引数（じつひきすう）と 仮引数（かりひきすう）という言葉が使われる． 関数の呼び出し時に，実引数の値が仮引数に代入される． したがって，仮引数は変数でなければならない． 実引数は定数であっても変数であっても構わない． また，当然，実引数と仮引数の型は同じでなければならない．

次のコードに規則をまとめておく：

double func(int x, double y)	// 仮引数は必ず変数
{
	...
	return (...);		// (...) は戻り値（関数と同じ型に）
}

main()
{
	int    x = 1;
	double z;
	z = func(12, func(x, 3.14));	// 実引数は何でも（定数でも変数でも関数でも）よいが，仮引数と型を一致させる
	...
}

関数は通常，定数や変数と同じように， int や double のような型を持ち， そして関数の型は，戻り値の型によって決まる． 一方，main( ) のように戻り値や型をもたない関数も存在する． このような場合，return や型宣言を省略してよい． また，戻り値が無いことを表わすためのデータ型として， void 型も用意されている．

なお，場合によっては， 戻り値をもつ関数のことを 「関数」， 戻り値をもたない関数のことを 「サブルーチン」 と言って区別することもある．

関数化の利点

関数化（サブルーチン化）には，次のようなメリットがある：

• 可読性の向上： ソースコードが大規模になってしまっても， 処理手続きの全体像を把握しやすい．
理想的には，メイン関数だけ読めば全体像がわかる． 赤の他人のためだけでなく，三日後の自分のためにもなる．
• メンテナンス性の向上： プログラムの改造が必要になった場合に， ソースコードの書き換えの手間を少なくできる．
実用的なプログラムは「作ったらおしまい」ではなく， 何度も「バージョンアップ」が重ねられて行く． 改造しやすさが重要．
• 定形処理の再利用： 新しいプログラムを開発する場合， 過去に作成した関数を流用することによって 開発の手間を少なくできる．
同じ業種での別の仕事でも，大抵の場合， 「お決まりの処理（共通する処理）」がある． これを何度もコーディングし直すのは非効率．（時給制なら別だが．）
• コンパクト化： 複数の同じような処理を一箇所だけしか記述しないので， ソースコードを全体的に短かくできる．
しかし実際には，コンパクト性よりも可読性を優先すべき． そのため，極端に短かくできることはあまりない． 逆に，長くなってしまうことさえある．
• etc.

要するに，プログラムの開発効率を向上 （よいプログラムを素早く作成・改良）することが目的である．

しかし，関数化の方法の正解は１通りだけとは限らない．複数の方法があるハズだ． 読みやすくコンパクトなソースコードを作成するためには， 「処理手続きのどの部分をどのように関数化すれば効果的か？」を よく考えることが重要だ． 「闇雲な関数化は逆効果」になりかねない．

練習問題

1. 次のソースコードにおいて， 関数 sqr( ) の実引数，仮引数，および戻り値はそれぞれ何か？

L01	double sqr(double x)
L02	{
L03		return (x*x);
L04	}
L05
L06	main()
L07	{
L08		printf("%f\n", sqr(2.0));
L09	}
L10	// ← 左端の Lxx は行番号

ヒント：回答方法としては「○引数：何行目の何」みたいに３個． プログラム実行時の値ではなく， ソースコード中での表記そのままに書くこと．
2. List 4 を元にして， 非負整数 n の階乗 n！を計算する関数 int factorial(int n) を定義せよ．
ヒント：
• n! ＝ 1×2×3×…×n
• 1！＝ 1
• 0！＝ 1
アドバイス：階乗の定義では，2J scheme でおなじみの「再帰」ではなく， 今回は「反復」を使おう． Ｃ言語での再帰については後日解説予定．
3. 以前の課題のプログラムについて，適切に関数化し書き換えよ．

余裕のある人は，等差級数 Σ_k ak， 等比級数 Σ_k a^k 等などにも取り組んでみよう．