基本的なデータ処理

数値変数・数式・書式付き入出力の適切な使い方を理解しよう．そして，超単純な数値データ処理プログラムを作成してみよう．

教科書の該当範囲：第１章〜第２章

準備

ディレクトリの準備

まずは，作業用ディレクトリを準備しよう：

$ cd		# ホームディレクトリへ移動（省略OKの場合もある）
$ mkdir p-1029	# 本日の作業用ディレクトリを作成
$ cd p-1029		# 作業用ディレクトリへ移動
# または
$ cd !$	# !$ は直前のコマンドの引数 p-1029 に置き換わる

テンプレートの準備

今後の作業を効率化するため，ソースファイルのテンプレートをホームディレクトリ等に作成しておこう：

$ gedit ~/tmpl.c &	# エディタは gedit 以外でも OK
		# 「~/」はホームディレクトリを意味する特殊記号

#include <stdio.h>

int main(void)
{

	return (0);
}

ソースファイルを新規に作成する際，このテンプレートをコピーして使えば良い：

$ cp ~/tmpl.c 新ソース.c	# ファイルのコピー
$ gedit 新ソース.c &
...

これで毎回，同じようなコード（#include とか main とか）を書き直す手間を節約できる．

本日の作業

タスク１：Ｃ言語プログラミングの作業手順を確認せよ．

テンプレートを元にして，ソースファイルを編集：

$ cp ~/tmpl.c hello.c
$ gedit hello.c &

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	printf("Hello World\n");	// 「Hello World」と表示
	return (0);
}

ソースコードの「//」から右側はコメント．入力不要ですよ．

ソースをコンパイルして，実行形式（プログラム）を生成：

$ cc hello.c -o hello

注意しよう．「cc hello.c -o hello.c」は危険．ソースファイルが上書きされ，消滅してしまう．もし心配 or 面倒なら「cc hello.c」だけでも OK．実行形式のファイル名は自動的に a.out になる．格好悪いけど．

もし，エラーが発生したらデバッグ（ソースコードの修正）も必要．

実行形式が生成されたか？確認：

$ ls
hello	hello.c

もし，実行形式 hello が無ければ，コンパイルに失敗している．デバッグ!!

プログラムを実行：

$ ./hello	# プログラムを実行
Hello World
$

タスク２：データ処理プログラムの基本形を作成・理解せよ．

Step 0. プログラムの基本構成を理解する．

データ処理プログラムの段取りの基本形を理解しておきましょう．（データ処理に限らず，大抵のプログラムは３段階から構成されます．）

前処理：目的とする仕事を始めるための準備に相当する部分．データ処理の場合，データの入力など．
本処理 or 主処理：仕事の本体に相当する部分．数値計算など．
後処理：仕事を完了するための仕上げ・片付けに相当する部分．計算結果の出力など．

基本は３段階だが，複雑なプログラムでは，各段階がさらに３段階，その各段階がさらに３段階，そのまた各段階がさらに... となる．

とにかく仕事には，準備と始末が伴う．実世界と同じで，特に始末が重要．始末なしでも完成したように見える場合もあるが，そのせいで致命的欠陥に気づかなかったりもする．（スタート直後は正常に動作して安心させておいて，油断した頃に異常が発生する．）

プログラムによっては，前処理なしとか後処理なしなど，２段階や１段階の場合もある．ほぼ後処理だけの Hello World とか... まあ，こいつらも３段階パターンの一種とみなしてね．

では，３段構成を意識しながら，具体例として掛け算プログラム mul.c を作成してみよう．

$ cp ~/tmpl.c mul.c
$ gedit mul.c &

tmpl.c を元にして編集．

Step 1. 前処理部を作成・理解する．

前処理部のソースコード断片：

#include <stdio.h>	// 入力関数 scanf() の宣言を取り込み
		// 「後で scanf() を使うよー」とヘッダファイル stdio.h 内に書いてある
		// ...前処理部の準備

int main(void)
{
	int	num;	// 整数型の変数 num を宣言
		// 「後で num を使うよ，整数を代入できるよー」
	double	val;	// 実数型の変数 val を宣言
		// 「後で val を使うよ，実数を代入できるよー」

	printf("整数と実数を入力せよ >");	// 入力プロンプトを表示
	scanf("%d %lf", &num, &val);
		// 「最初に %d で整数，次に空白，最後に %lf で実数，
		// というパターンでキーボードから入力してねー」
		// 「変数 num に整数，val に実数が格納されるよー」
		// 変数名の前「&」の付け忘れに注意!!

	// 本処理部
	...	// この先は次のステップで作成
}

基礎知識：

キーボードやファイルからデータを入力し，入力されたデータを変数に格納する．この例では，書式付き入力関数 scanf() を利用している．
前処理では入力が主役ね．出力 printf() も使っているけど，まあ，これは入力のための準備... つまり，前処理の前処理．
変数（variable）は，内容を変更可能（variable）なメモリ（memory）．
関数（function）は，その他の何らかの機能（function）をもったプログラムの構成部品．
自動車部品に例えると，変数はギアとかネジとか？（変更可能ではないけど，サイズが色々選べて，様々な部品同士を接続．）関数はエンジンとかトランスミッションとか？（自動車としての動作に必要な部品．）
変数・関数の利用には事前準備が必要であり，ソースの先頭付近で型と名前を宣言しておく．
既存の関数や変数の利用では，宣言が記入済みのヘッダファイルを「#include」で取り込めば楽ができる．

Step 2. 本処理部を作成・理解する．

本処理部のソースコード断片：

...
int main(void)
{
	double	total;	// 「後で計算結果を代入するよ」
			// ...本処理部の準備

	...		// 前処理部

	total = num*val;
		// かけ算 num*val を計算し，計算結果を変数 total へ代入してね．
	...
}

基礎知識：

計算結果のデータにも型がある．
互いに異なる型のデータ間の計算結果は何型になる？後日実験．

なお，Ｃ言語の世界（コンピュータの内部）では，整数データと実数データとは明確に区別されています．たとえば，整数 123 と実数 1.23×10² は互いに別物です．数値的には「ほぼ等しい」かもしれないが，完全に一致するとは限りません．

また，取り扱い可能な数値の範囲に制限があります．計算結果のオーバーフロー等に注意が必要です．

Step 3. 後処理部まで作成・理解し，プログラムを実行する．

後処理部のソースコード断片：

#include <stdio.h>	// 出力関数 printf() の宣言を取り込み
		// 「後で printf() を使うよー」とヘッダファイル stdio.h 内に書いてある
		// ... 後処理部の準備

int main(void)
{
	...		// 前処理部，本処理部

	printf("%d * %f = %f\n", num, val, total);
		// 「文字や数値を端末画面に表示してねー」
		// 「%d は整数 num，%f は実数 val とtotal の値に置き換わるよー」

	return (0);	// プログラムを終了
}

基礎知識：

計算結果を端末画面やファイルに出力する．この例では，書式付き出力 printf() を利用し，端末画面に計算結果等を表示している．

後述しますが，printf() と scanf() の書式について，同じ実数型であっても %f と %lf のように，微妙な違いがあることに注意しよう．

はい，ではこのプログラムをコンパイル・実行しましょう：

$ cc mul.c -o mul
$ ./mul
...

正しく掛け算できたでしょうか？

タスク３：整数データの性質を理解せよ．

整数型（int型）データの１個あたりの情報量は， 4 byte（16進数８桁）＝32 bit（２進数32桁）であり，表現可能な数値の範囲は 0 〜 2³²ー1 ≒ 約40億となります．ただし通常は，負の数も使うので，範囲はー約20億〜＋約20億となっています．

「int」は「integer（整数）」の略語．

実際のデータサイズはシステム依存であり， int が 4 byte ではないコンピュータもある．

ソースファイルを int.c としましょう：

$ cp mul.c int.c

今度は tmpl.c ではなく， mul.c を元にすると楽．

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int	x, y, z;		// 整数型の変数 x，y，z の宣言

	while (1) {			// 繰り返し
		printf("整数２個 > ");
		scanf("%d %d", &x, &y);		// 入力
		z = x * y;				// 計算（かけ算）
		printf("%d * %d = %d\n", x, y, z);	// 出力
	}
	return (0);
}

コンパイルと実行：

$ cc int.c -o int

$ ./int
整数２個 > 35 100
35 * 100 = 3500			# そだねー

整数２個 > 3500 1000000
3500 * 1000000 = -794967296	# えっ??
	# 正解は 35億では？しかも，マイナスって何だー？

整数２個 > [Ctrl]+[C]	# 強制終了

はい，今，オーバーフローが発生しました．「コンピュータは正確」と思っていた人は残念でした．コンピュータの能力には限界があります．能力の範囲内であれば正確です．

また，コンピュータの間違いには再現性がある．同じ間違いなら，いつも同じ結果になる．人間の間違いのようなムラはない．

正数のハズがなぜ負数になるのか？ 31bitまでに収まらずに32bit目に溢れると負になる． 32bitを超える部分は無視される．

タスク４：実数データの性質を理解せよ．

実数型（double型）のデータ１個あたりの情報量は 8 byte，数値範囲は±約1.0×10^±308，有効数字は15桁となっています．

有効数字とは，例えば有効３桁なら，超正確な数値 3.141592... を大雑把な数値 3.14 に置き換えて利用するってことです．

double は double precision（倍精度）を意味するんだが... これだけだとわけわからんよね... 元々，単精度 4 byte の float があり，これが基本の実数型 floating point number（浮動小数点数）だった．現代では，float じゃ精度が足りないし，メモリが安価で大容量になったので double が主流となっている．それでもやはり限界はあることに変わりはない．

ソースファイルを double.c としましょう：

今度は int.c を元にしよう．

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	double	x, y, z;		// 実数型の変数 x，y，z の宣言

	while (1) {
		printf("実数２個 > ");
		scanf("%lf %lf", &x, &y);	// 入力　
		z = x / y;				// 計算（わり算）
		printf("%f / %f = %f\n", x, y, z);	// 出力
	}
	return (0);
}

$ cc double.c -o double
$ ./double
実数２個 > 1 3
1.000000 / 3.000000 = 0.333333

実数２個 > 2.0 1.41421356
2.000000 / 1.414214 = 1.414214

実数２個 > 1 0
1.000000 / 0.000000 = inf	# inf は infinity...無限ね

実数２個 > 0 0
0.000000 / 0.000000 = -nan	# nan って何？not a number...不定値，非数

...

数学的に... 任意の数 a に対して，a ✕ 0 ＝ 0 が成り立つ．この式を変形すると，a ＝ 0÷ 0 となる．つまり，0 ÷ 0 の結果はどんな数にでも一致することになり，１つの数には定められない．

タスク５：入出力の書式指定の方法を理解せよ．

scanf() の書式指定の例：
- scanf("%d",...)：int型10進整数 ← 入力例：123
- scanf("%x",...)：int型16進整数 ← 入力例：FF，0xFF
- scanf("%lf",...)：double型実数 ← 入力例：123.45，1.2345e+02
  記憶法： 10進数→decimal number， 16進数→hexadecimal ...， double→long float（d だと int と重複...）
printf() の書式指定の例：
- printf("%d", 123)：int型10進整数 → 出力例：123
- printf("%x", 255)：int型16進整数 → 出力例：ff
- printf("%X", 255)：int型16進整数 → 出力例：FF
- printf("%f", 123.45)：double型実数，固定小数点数形式 → 出力例：123.450000
- printf("%e", 123.45)：double型実数，指数形式 → 出力例：1.234500e+02
  記憶法：固定小数点数形式→fixed point format，指数形式→exponential ...，その他→scanf() と同様．
  
  （幅の指定）
- printf("[%5d]", 123)：５桁空白埋め → [__123]
- printf("[%05d]", 123)：５桁ゼロ埋め → [00123]
- printf("[%7.3f]", 123.45)：全体７桁・小数３桁 → 123.450
書式文字列「"〜"」内の「%〇〇」部分を変換指定子と云う．より詳しくは教科書 pp.24-32 を参照しよう．

実験：書式指定をわざと間違えてみよう．ソースファイルは fmt.c：

何を元にしたら楽かな？← 自分で考えろ！という意味ね．

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int	x = 123;
	double	y = 123.45;

	printf("正：\n");
	printf("x = %d\n", x);
	printf("y = %f\n", y);

	printf("誤：\n");
	printf("x = %f\n", x);	// 整数型は %d のハズ
	printf("y = %d\n", y);	// 実数型は %f のハズ

	return (0);
}

コンパイルすると，どうなりますか？

警告（warning）が発生する．
- %f なら実数が来るハズだよねー...整数かよっ？
- %d なら整数が来るハズだよねー...実数かよっ？
しかし，実行形式は生成される．
エラー（error）なら生成されない．

「不完全だけど，まあ OK な」という状態．

実行結果は，どうなりましたか？

整数は %f で適切な実数に変換された？
実数は %d で意味不明な整数に変換された？

処理系によって挙動が異なるようです．コンパイル時のwarningだと実行できてしまうけど，結果が常に正しいとは限らない．（正しい結果が出てしまう場合もある．）

さらに実行を繰り返すと？

意味不明な整数は，実行する度に変化する．（変わらない場合もある．）
このような意味不明な数値を専門用語で「ゴミ」と云う．真面目な話． Wikipedia

ゴミには再現性はない．つまりこれは，コンピュータ側の間違いではなく，プログラマ（人間）側の間違い．

タスク６：変数の初期化の必要性を理解せよ．

変数の値を使用して何かを計算する場合，事前に初期化（初期値を代入 or 入力）しておく必要があります．

実験：変数をわざと初期化せずに使ってみよう．var.c：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
//	int	x=1, y=2, z=3;	// 初期化すると...
	int	x, y, z;		// 初期化しないと...

	printf("%d %d %d\n", x, y, z);	// どんな値？
	return (0);
}

実行結果はどうなりましたか？何度も繰り返すと？

初期化しないと初期値はゴミ．
再現性はない．初期化しろと指示されなかったので，メモリに入っていた値をそのまま使いましたが何か？

これはプログラマのミス．コンピュータに期待は禁物な．何も察してはくれません．

タスク７：基数変換（10進→16進）プログラムを作成せよ．

ここまでの知識を使って，整数を 10進数（decimal）として入力すると 16進数（hexadecimal）に変換して出力するプログラム d2x.c を独自に作成しよう．本日の課題の重要部分です．

ヒント：何かを計算させる必要はない．表示形式を変えるだけで済む．

実行例：

$ ./d2x
10進数 > 255
16進数 = FF

10進数 > 16
16進数 = 10

...
10進数 > [Ctrl]+[C]	# 強制終了
$

ヒント：ソースファイルの基本形は int.c．

タスク８：基数変換（16進→10進）プログラムを作成せよ．

余裕があれば，タスク７の逆バージョン... 整数を 16進数として入力すると 10進数に変換して出力するプログラム x2d.c も作成しよう．

本日の課題

レポートを提出せよ．

質問 Q1〜Q4 に回答し，電子メールで提出せよ．

提出方法：電子メール
- 宛先：yanagawa@kushiro-ct.ac.jp
- 件名：p-1029
- 発信者：pXXXXXX@kushiro.kosen-ac.jp
  「pXXXXXX」は各自のユーザ名ですよ．必ず，学校のメールアカウントを使って提出しよう．
- 提出期限：2025.11.05水17:00（提出遅れは減点対象）
- 学年分野，出席番号，氏名
- 課題：
  - Q1. タスク７で作成した d2x.c のソースコードをコピー＆ペーストせよ．
  - Q2. 自分の学籍番号（10進数）を書け．
    出席番号ではなく，学籍番号．ユーザ名 pXXXXXX の数字部分 XXXXXX．
  - Q3. 自分の学籍番号（10進数）を 16進数として表わせ．
    まあ，d2x を実行すればわかりますね？
- 調査：
  - （Q4. 感想・意見など．もしあれば．）
注意事項：
- メール本文の先頭に名乗り（クラス，番号，氏名）を記述．
- メール本文の末尾に署名（氏名，所属，等）を記述．
- メールの送信形式を必ず「テキスト形式 or プレーンテキスト」に変更せよ．
  「HTML」等では，ソースコードのインデントが乱れてしまう場合がある．