Ｃ言語プログラミングの基礎実験

計算プログラムを例として， Linux（unix）環境でのＣ言語プログラミングの作業方法を把握しよう．

実習の準備

まずは，マウス操作によりアプリケーション「端末」を開こう． そして，その端末内でキーボード操作により， 次のようなコマンド（命令）を入力しよう： 

$  cd		# ホームディレクトリへ移動
$  mkdir  c-0425	# 本日の作業用ディレクトリを作成
$  cd  c-0425	# 作業用ディレクトリへ移動
各行の末尾では，キー入力 [Enter] or [Return] も必要．

行頭の記号「$」はプロンプト（入力促進）の表示であり， この記号は入力しないこと． また，記号「#」から行末まではコメント（説明文）であり， 入力する必要はない． なお，unix 用語「ディレクトリ」は Windows 用語「フォルダ」とほぼ同じ意味をもつ．

これで，今回作成する複数のファイルを ひとつのディレクトリにまとめておくことになる． 次回以降も同様に作業して行こう．

要するに，ホームディレクトリの整理整頓のための作業ね．

ディレクトリやファイルの操作では， 次のコマンドもおぼえておこう： 

$  ls	# ファイルの確認（どんなファイルがあるか？）
$  pwd	# カレントディレクトリの確認（今，どこを見ているか？）

作業手順のまとめ

Ｃ言語プログラムの作成から実行までの手順は次の通り：

  1. ソースの編集（プログラミング）

    2. エディタを利用し，ソースコード（プログラムの内容）を記述し， ソースファイル（拡張子「.c」）として保存する： 

    $  gedit  ソース.c  &	# emacs や leafpad でも OK

    ソースファイルは人間が読み書きするためのものであり， このままではまだ，コンピュータが実行することはできない．

  2. ソースのコンパイル

    3. コンパイラを利用し，ソースファイルを 実行形式（プログラムファイル）へ変換する： 

    $  cc  ソース.c  -o  プログラム

    これで，実行可能なプログラムファイルが生成される．

    しかし，ソースコードに間違いがあった場合， エラーメッセージが表示される． この場合，編集作業へ戻り， デバッグ（間違いを修正）しよう．

  3. プログラムの実行

    4. プログラムファイル名を指定して実行する： 

    $  ./プログラム
    先頭の記号列「./」はカレントディレクトリを表わしている． このように，通常は，ディレクトリのパスも指定する必要がある．

    もし，実行結果が期待通りでなければ， さらにデバッグしよう．

「割り算プログラム」の開発

割り算を計算するプログラムを例として， プログラム開発の作業を体験しよう． 単純なプログラムから開始し， 徐々に機能を向上させて行きます．

Step 0. 最も単純なプログラム（何もしないプログラム）を作ってみる

ソースファイルを編集： 

$  gedit  div.c &

int main(void)
{
	return (0);	// 行頭の空白は[Tab]キーね
}
// 記号列「//」から行末まではコメントなので入力不要だよ

編集が終わったら「保存」をお忘れなく．

そしてコンパイル： 

$  cc  div.c  -o  div		# 拡張子.c の有無に注意!!

エラーが発生したら，編集に戻るんですよ．

エラーがなければ，実行： 

$  ./div

...何も起きないのですが？

...はい，何もしていないので．

このプログラムの実行直後に， 次のコマンドを実行してみよう： 

$  echo  $?	# 直前のプログラムの終了状態 $? を表示

戻り値（return (N) の数値 N）を色々と変更し， 実行結果を確かめてみよう．

Step 1. 割り算の数式を表示させてみる

ソースを改造： 

#include <stdio.h>	// printf() を使う場合に必要

int main(void)
{
	printf("12/3 = 5\n");	// 数式を表示．間違いはそのままに...
				// \n は改行記号
	return (0);
}
半角文字のバックスラッシュ「＼」と円記号「￥」は， コンピュータ内部では同じものとして取り扱われます． キーボードの種類や端末の設定によって，どちらか一方に決まります．

保存 → コンパイル → 実行： 

$  cc ...
$  ./div
12/3 = 5

何か表示されたが，12/3 しか計算できない？ しかも，計算結果が間違っている？ プログラムがおバカ，というか，プログラマが...

プログラムは思い通りには動かない． 書いた通りに動く．

コンピュータは間違わない． プログラマが間違えるんだ．

Step 2. 正しく計算させてみる 
#include <stdio.h>

int main(void)
{
	printf("12/3 = %d\n", 12/3);	// %dは12/3の計算結果に置き換わる
	return (0);
}

$  cc ...
$  ./div
12/3 = 4

正しく計算できた．

数式内の数値を色々と変更し， 正しく計算できることを確認しよう．

でも，変更しなければならない部分が２箇所もあり面倒だよね...

Step 3. 変数を使ってみる

変数（メモリ）を使えば， 変更すべき箇所を少なくできる． 

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int	x = 12, y = 3;	// 数値を色々と変更してみよう
	int	z;		// 計算結果を入れるための変数．プログラム作成時には数値は未定．

	z = x/y;
	printf("%d/%d = %d\n", x, y, z);
	return (0);
}

...

はい，数値の変更は１箇所だけにできた．

しかし，別の数式を計算するために，いちいちソースを変更し， コンパイルもやり直す必要がある． これはまだまだ面倒くさい...

Step 4. プログラム実行時（実行中）に数値を入力してみる 
#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int	x, y;	// 作成時には未定
	int	z;

	printf("２個の整数値 > ");	// プロンプトを表示する
	scanf("%d %d", &x, &y);		// 実行時に数値を入力する

	z = x/y;
	printf("%d/%d = %d\n", x, y, z);
	return (0);
}

... 

$  ./div
２個の整数値 > 12  3	# x と y の値を空白で区切って入力
12/3 = 4

$  ./div
２個の整数値 > 20  4
20/4 = 5
...

これでどんな割り算でも計算できるようになった？ しかし，y にゼロを入力するとどうなるか？ その後の終了状態は？

Step 5. エラーによる強制終了を回避してみる 
#include <stdio.h>

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

	printf("２個の整数値 > ");
	scanf("%d %d", &x, &y);	

	if (y == 0) {		// y がゼロの場合...
		printf("ゼロでは割れません．\n");	// 割らない
	} else {
		z = x/y;	// ゼロ以外なら割る
		printf("%d/%d = %d\n", x, y, z);
	}
	return (0);
}

...

色々な数値で実験しよう．

あーでも，プログラムを何度も実行しなおすのは面倒くさいぞ...

Step 6. 計算を自動的に繰り返せるようにしてみる 
#include <stdio.h>

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

	while (1) {		// 繰り返す
		printf("２個の整数値 > ");
		scanf("%d %d", &x, &y);	

		if (y == 0) {
			printf("ゼロでは割れません．\n");
		} else {
			z = x/y;
			printf("%d/%d = %d\n", x, y, z);
		}
	}
	printf("\nおつかれさまでした．\n");	// 終了メッセージを表示
	return (0);
}

...

繰り返しが止まらない... とりあえず，キー操作 [Ctrl]+[C] でプログラムを強制終了しよう．

それに，終了メッセージが表示されないぞ．

Step 7. 繰り返しを止められるようにしてみる 
#include <stdio.h>

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

	while (1) {
		printf("２個の整数値 > ");
		if (scanf("%d %d", &x, &y) == EOF) break;
			// キー操作 [Ctrl]+[D] で繰り返しを終了

		if (y == 0) {
			printf("ゼロでは割れません．\n");
		} else {
			z = x/y;
			printf("%d/%d = %d\n", x, y, z);
		}
	}
	printf("\nおつかれさまでした．\n");
	return (0);
}

... 

$  ./div
２個の整数値 > 20  4
20/4 = 5

２個の整数値 > [Ctrl]+[D]
おつかれさまでした．

これで，何とか実用的なプログラムとしての形が整った？

練習問題：「計算ドリル」の開発

割り算プログラムの逆バージョンを考えよう． 人間が出題しコンピュータに計算させるのではなく， コンピュータが出題し人間が計算する... クイズゲームのような計算練習ソフトになりそうです．

というわけで，男子小学生向け エデュテイメントソフト「計算ドリル」を開発してみよう． （ 元ネタ）

目標とする動作 
$  gedit  drill.c  &
$  cc  drill.c  -o  drill
$  ./drill
うんこ計算ドリル
♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪
84 個のうんこをもらいました．
7 人で山分けしましょう．
一人分は何個ですか？ > 7
☓ ：正解は 12 です．
♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪
78 個のうんこをもらいました．
6 人で山分けしましょう．
一人分は何個ですか？ > 13
◯
♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪
.
.
.
おしまい．
基本ソースコード 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>	//rand() を使うために必要

int main(void)
{
	int	x, y, z;	// 問題の数値 z = x/y;
	int	a;		// ユーザが入力する答案の数値

	printf("うんこ計算ドリル\n");	// タイトルを表示

	while (1) {
		x = rand()%100 + 1;	// 1〜100の乱数を設定
		y = rand()%10 + 1;	// 1〜10の乱数を設定
		printf("♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪\n");
		printf("%d 個のうんこをもらいました．\n", x);
		printf("%d 人で山分けしましょう．\n", y);
		printf("一人分は何個ですか？ > ");

// ====== 適切なコードを追加し，プログラムを完成しなさい ======
		...		// 答案を入力
		...		// 正解を計算
		...		// 正／誤を判定
// ====== ここまで ======

	}
	printf("\nおしまい．\n");
	return (0);
}

上級者は，機能を追加してみよう． たとえば，成績（正答数，誤答数，正答率，など）の表示機能とか？

コマンドライン引数の利用

コマンドライン上で数値を指定できるようにしてみよう． つまり，プログラムの実行途中ではなく， 実行開始時に数値を指定できるようにする．

ここでは Step 3 のソースコードを元にして改造しよう： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>	// atoi() に必要

int main(int argc, char *argv[])
{
	int	x, y;
	int	z;

	if (argc != 3) return (1);	// 引数不足等の場合，終了
	x = atoi(argv[1]);	// 引数1 を x に代入
	y = atoi(argv[2]);	// 引数2 を y に代入
	if (y == 0) return (1);	// ゼロ割りを回避
	z = x/y;
	printf("%d/%d = %d\n", x, y, z);
	return (0);
}

コマンドラインに指定されたデータは， 変数 argv[番号] にセットされる． ただし，そのデータは文字列（数字列）なので， 関数 atoi( ) で数値に変換した．

実行例： 

$  ./div  24  8
24/8 = 3

$  ./div  32  16
32/16 = 2

これって結局，unix コマンドを自分で作った，ということだよね？ そだねー． 実際，unix コマンドのほとんどはＣ言語で作られています．

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