プログラムの開発を効率化するための技を修得してゆこう．
今回の学習内容は，ソースコードの可読性・保守性の向上のため...
マクロと構造体をうまく利用すれば， ソースコードの記述効率（作成速度）を高められるだけでなく， プログラムの実行効率（処理速度）を高められる場合もある．
マクロ定義の書式：
#define マクロ名 数値など
マクロ定義・利用の（かなり極端な）例：
// マクロの定義
#define TYPE char
#define SIZE 256
#define VAR buf
#define INPUT scanf("%s", buf)
#define OUTPUT printf("%s\n", buf)
// マクロの利用
TYPE VAR[SIZE];
INPUT;
OUTPUT;
マクロ展開の例：（上のコードが次のように置き換えられる．）
char buf[256];
scanf("%s", buf);
printf("%s\n", buf);
マクロ定義の書式：
#define マクロ名(仮引数, ...) 数式など
マクロ定義・利用の（ちょっと怪しい）例：
#define SQR(x) x*x z = SQR(y);
マクロ展開の例：
z = y*y;
フラグ変数（値を 0 or 1 とする変数）と if 文のようなマクロ．
マクロ定義の書式：
#define マクロ名 // マクロ名を定義（変数 = 1; みたいな）
#undef マクロ名 // マクロ名を解除（変数 = 0; のような）
#ifdef マクロ名 // マクロ名が定義済みの場合だけ...（if (変数 != 0) {）
... // ...この部分のコードをコンパイル
#endif // ifdef の終了（}）
定数マクロについては，すでに前期から何度も使ってきましたが，再確認します．
cmd.c：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define BUFLEN 256 // 定数マクロの定義
int main(void)
{
char cmd[BUFLEN];
FILE *fp = stdin;
while (1) {
printf("コマンド > ");
fgets(cmd, BUFLEN, fp); // 定数マクロの利用
if (strcmp(cmd, "quit") == 0) break;
}
return (0);
}
コンパイルコマンドを実行すると， まずプリプロセッサが実行され， ソースコード内のマクロ BUFLEN の部分が数値 256 へ置き換えられ， その置換後のソースコードがコンパイルされることになる．
プリプロセッサだけを実行し，確かめてみよう．
$ cpp cmd.c | less
...
... // ヘッダファイルの内容が延々と続き...
...
int main(void)
{
char cmd[256]; // コードが置換された
...
while (1) {
printf("コマンド > ");
fgets(cmd, 256, fp); // コードが置換された
if (strcmp(cmd, "quit") == 0) break;
}
...
}
コンパイルし，実行しよう．
$ cc cmd.c -o cmd
$ ./cmd
quit
...
[Ctrl]+[C]
あれれ，"quit"の入力で終わるハズだが...終わらない...なぜだー?? はい，定数マクロは OK なのですが，このプログラムには他に間違いがあります．
間違いを探し出そう．
...
int main(void)
{
...
while (1) {
printf("コマンド > ");
fgets(cmd, BUFLEN, fp);
printf("cmd:[%s]\n", cmd); // デバッグ用コード
// 変数（入力文字列）を表示してみる，i.e.（すなわち）printfデバッグ
if (strcmp(cmd, "quit") == 0) break;
}
...
}
実行結果を観察しよう． printfデバッグによって原因が判明... 配列cmd 内に改行文字'\n' も代入されている．
デバッグ用コードを削除して，再度コンパイルするのかい？ もし，多数のバグを含む長〜いソースコードなら， 何箇所も何度も書き直すのは面倒臭いぞ．
フラグマクロを利用し， デバッグ機能の on／off を簡単に切り替えられるようにします．
... #define DEBUG // フラグマクロの定義 ... デバッグモード on // #undef DEBUG // マクロ定義を解除 ... デバッグモード off // または...// #define DEBUG// コード内では未定義としておき，コンパイル時に定義... /* $ cc -DDEBUG ... ソースコード内だけでなくコンパイル時にもマクロを定義できる． デバッグ作業の前後でコードの書き換えが不要になるよ． */ #define BUFLEN 256 int main(void) { ... while (1) { printf("コマンド > "); fgets(cmd, BUFLEN, fp); #ifdef DEBUG // ここから...デバッグ用コード printf("cmd:[%s]\n", cmd); #endif // ...ここまで if (strcmp(cmd, "quit") == 0) break; } ... }
#ifdef DEBUG 〜 #endif の間のコードは， DEBUG が定義されている場合だけ，有効となる．
デバッグ以外の動作は変わりません．
コードの間違いを修正しよう．
...// #define DEBUG// cc -DDEBUG を使うなら不要// #undef DEBUG#define BUFLEN 256 int main(void) { char buf[BUFLEN]; // 行文字列（'\n' あり） char *cmd; // コマンド文字列（'\n' 除去） FILE *fp = stdin; while (1) { printf("コマンド > "); fgets(buf, BUFLEN, fp); // fgets()では改行文字'\n'も配列に格納するのでした... cmd = strtok(buf, " \t\n"); // トークン分割 // strtok()で'\n'等を除去 #ifdef DEBUG // ここから...デバッグ用コード printf("cmd:[%s]\n", cmd); #endif // ...ここまで if (strcmp(cmd, "quit") == 0) break; } return (0); }
問題は解決できた． しかし，strcmp() は，というかＣの文字列は，使いづらいぜ...
引数付きマクロを利用して，文字列処理を使い易く， Ｃ言語自体を改変してしまおう．
...
// 関数のようなマクロ：文字列比較の条件式の定義
#define StrEql(s1, s2) (strcmp(s1, s2) == 0)
/*
この程度なら，関数として定義してもよいが，
マクロの方が実行時間・メモリ使用量が少なく済む．
（というか，増えずに済む．）
*/
// 制御構造のようなマクロ１：文字列比較専用のif文の定義
#define IfStr(s1, op, s2) if (strcmp(s1, s2) op 0)
// 制御構造のようなマクロ２：cmd比較専用のif文の定義
#define IfCmdIs(s) if (strcmp(cmd, s) == 0)
/*
引数付きマクロでは，Ｃに新しい制御構造さえも追加できる．
引数には，変数・定数だけでなく，演算子・関数なども利用できる．
ただし，使いすぎると他人には理解不能なコードとなりがち．
「過ぎたるは及ばざるが如し」
*/
int main(void)
{
...
while (1) {
...
// if (strcmp(cmd, "quit") == 0) break; // 使いづらいので...
// マクロによる改変例
// コンパイル時にマクロ↓ はどれでも元の step 4 のコード↑ に展開される
if StrEql(cmd, "quit") break; // 意図を明確化
// IfStr(cmd, ==, "quit") break; // 意図を更に明確化
// よくある間違い「if (cmd == "quit") ...」の代用
// IfCmdIs("quit") break; // コードを短縮
// できると便利な「switch (cmd) { case "quit": ... }」の代用
}
return (0);
}
マクロは，変数・関数とは異なり， 実行時に数値・数式などを代入・計算してくれる訳ではない． コンパイル時にソースコードの 字面を置き換えるだけなので... 意外なコードに展開され，想定外の実行結果となる場合がある．
ソースコード断片：（読んで考えて理解しよう）
// 逆数を求める関数マクロ #define Inv(x) 1.0/x // イマイチな定義方法 /* 使用例 ⇨ 展開結果 ⇨ 実行結果： Inv(2.0) ⇨ 1.0/2.0 ⇨ 0.5 ですが何か？ Inv(2 + 3) ⇨ 1.0/2 + 3 ⇨ 3.5 ...えぇえー??? 1/(2+3) = 1/5 = 0.2 じゃねーの？ Inv(1/2) ⇨ 1.0/1/2 ⇨ 0.5 ... 逆数の逆数なので 2 に戻るハズでは？ 1/Inv(2) ⇨ 1/1.0/2 ⇨ 0.5 ... 逆数の逆数なので 2 に戻ってください... */ // #define Inv(x) (1.0/(x)) // 改善案
どんな使用方法でも適切に展開・実行されるように， 定義方法に対して特段の注意を払おう．
前回作成の pdcl.c に対して， Step 5 の制御構造マクロを導入せよ．
複数個の変数をグループ化し，１個の構造体変数として取り扱える． グループ内のそれぞれのメンバ変数にも個別にアクセスできる． また，メンバ変数の型はそれぞれ異なってよい．
構造体の基本的な利用方法について， 次のソースコードから読み解こう．
complex.c：
#include <stdio.h>
// 複素数の構造体型の定義
typedef struct {
double re, im; // 実数部，虚数部のメンバ変数
char *text; // 説明文のメンバ変数
} Complex; // 構造体の型名
// 複素数を表示する関数
void PrintC(char *name, Complex *z) // 構造体の仮引数（普通の変数と同様）
{
printf("%s = %f + %f i ... %s\n", name, z->re, z->im, z->text);
// メンバ変数に分解して表示
// 「->」は構造体のポインタに対するメンバアクセス演算子
}
// 複素数を初期化する関数
Complex InitC(double re, double im, char *text)
{
Complex c;
c.re = re;
c.im = im;
c.text = text;
return (c);
}
int main(void)
{
Complex a; // 構造体変数の宣言
Complex b = {0.0, 1.0, "虚数単位"}; // 構造体変数の宣言と初期化
Complex *p; // 構造体へのポインタの宣言
// b = 2*b; // 構造体の計算...NG
// （独自に計算関数を定義し，b = MulC(b, 2); などとせよ）
PrintC("b", &b); // 構造体の実引数（普通の変数と同様）
a = b; // 構造体同士の一括代入（全メンバのコピー）
// if (a == b) printf("Bingo!\n"); // 構造体同士の比較...NG（独自に関数等を定義せよ）
PrintC("a", &a);
// b = {0.0, 0.0, "ゼロ"}; // 宣言以外での初期化...NG
b.re = 0.0; // メンバ変数への代入
b.im = 0.0; // 〃
b.text = "ゼロ"; // 〃
// 「b.re」等の「.」は構造体の実体に対するメンバアクセス演算子
// ↑ 個別代入は面倒... ならば，独自に初期化関数を定義せよ↓．
// b = InitC(0.0, 0.0, "ゼロ");
// 構造体を作り，初期値（引数）を個別代入し，その構造体を返す関数ね．
PrintC("b", &b);
p = &b; // 構造体ポインタへの構造体アドレスの代入
PrintC("b", p);
a = *p; // 要するに a = b と同
PrintC("a", &a);
return (0);
}
なお，構造体を関数の引数として利用する場合には， 構造体の実体（全メンバのコピー）としても実行できるが， ポインタ（アドレス１個のコピー）とするのが効率的なのでオススメ．
以前作成した ttt-2.c（ttt.c の ver.2，課題で作成したハズの動的配列版）に 構造体を導入してみよう．
以前作成したソースファイルを本日のディレクトリにコピーしてから， 編集を開始しよう． （ファイル名については，各自の状況に合わせて読み替えるんですよ．）
$ cp ~/c-1030/ttt-2.c ./ttt-3.c # ディレクトリ名とファイル名は人それぞれ，適切に読み替え $ vim ttt-3.c
まずは，本体の部分を改造...
/* Tic-Tac-Toe 超簡易版 *//* ver.2 動的配列版 */// ver.3 構造体版（初級：記述効率の改善） #include ... // ゲーム盤の構造体型の定義 typedef struct { int size; // ゲーム盤のサイズ（旧変数名：n） int *cell; // マスの動的配列へのポインタ（旧変数名：bd） } Board; ... int main(void) {// int *bd; /* ゲーム盤の動的配列へのポインタ */Board bd; // ゲーム盤構造体の変数（実体） int n; /* ゲーム盤のサイズ */ ... printf("ゲーム盤のサイズ > "); scanf("%d", &n);// bd = (int *)malloc(sizeof(int)*n*n);// if (bd.cell == NULL) return (1);bd.size = n; // ゲーム盤のサイズと... bd.cell = (int *)malloc(sizeof(int)*n*n); // ...動的配列とを構造体に統合したよ if (bd.cell == NULL) return (1);// Clear(bd, n);// ゲーム盤に関する変数２個 bd と n は... Clear(bd); // ...構造体１個 bd に統合されてるよ．他の関数についても同様に... player = 1; while (1) { Draw(bd); // 同上 while (1) { ... if (Get(bd, y, x) == 0) break; // 同上 ... } Set(bd, y, x, player); // 同上 ... } END: printf("\n終了\n");// free(bd);// 動的配列 bd は構造体に組み込まれ... free(bd.cell); // ... bd.cell になったよ return (0); }
まだコンパイルはできない． メイン関数などの変更に合わせて，各ユーザ関数の定義も変更...
...// int Get(int *bd, int n, int y, int x)int Get(Board bd, int y, int x) { ... if (x >= bd.size) return (-1); ... if (y >= bd.size) return (-1); return (bd.cell[y*bd.size + x]); } void Set(Board bd, int y, int x, int v) { ... // 同様に... } void Clear(Board bd) { ... // 同様に... } void Draw(Board bd) { ... // 同様に... } ...
とりあえず，この段階は完了． コンパイルし，実行してみよう．
$ cc ttt-3.c -o ttt-3 $ ./ttt-3 ...
動作は以前と変わりないハズ．
何がどうなったのか？ 構造体を導入し，関数呼出における引数の個数を削減し， ソースコードが短くなった． つまり，記述効率が向上した．
次に，実行効率についても改善してみよう． ここまでの段階では， ユーザ関数 Draw()，Get()，Set()，等の呼び出しの際， 構造体変数 bd の実体をそのまま引数として利用していた． このとき，コード的には構造体変数１個だけを受け渡しているように見えるが， 実行時には構造体内の全メンバ変数がコピーされている． コピーされるデータ量に比例してメモリ容量も実行時間も無駄になる．
というわけで，関数呼出時にコピーされるデータ量を削減してみよう． 引数として構造体のポインタを利用すれば， 構造体のメンバ数には関係なく， アドレス１個分だけの受け渡しで済む．
$ cp ttt-3.c ./ttt-4.c $ vim ttt-4.c
... // ver.4 構造体版（中級：実行効率も改善） ...// int Get(Board bd, int y, int x)// 仮引数を構造体の実体から... int Get(Board *bd, int y, int x) // ...ポインタに変更 { ... if (x >= bd->size) return (-1); ... if (y >= bd->size) return (-1); return (bd->cell[y*bd->size + x]); } void Set(Board *bd, int y, int x, int v) { ... // 同様に... } void Clear(Board *bd) { ... // 同様に... } void Draw(Board *bd) { ... // 同様に... } int main(void) { ...// Clear(bd);// 実引数を構造体の実体から... Clear(&bd); // ...ポインタに変更 player = 1; while (1) { Draw(&bd); // 同上 while (1) { ... if (Get(&bd, y, x) == 0) break; // 同上 ... } Set(&bd, y, x, player); // 同上 ... } ... }
$ cc ttt-4.c -o ttt-4 $ ./ttt-4 ...
実行結果を確認しよう．
理論的には，実行効率も改善しているハズ． （測定による実証は必要だが，今回は割愛．）
ここまでの段階では，関数呼出の際にだけ，構造体のポインタを利用したが， メイン関数内ではまだ，構造体の実体も併用している． 構造体の実体／ポインタの使い分けでは， コードの記述方法が微妙に異なり，混乱しがちではないだろうか？
ソースコード内のすべての構造体をポインタに統一してみよう．
$ cp ttt-4.c ttt-5.c $ vim ttt-5.c
...
// ver.5 構造体版（上級：記述効率のさらなる改善）
...
// ver.5 では構造体をすべてポインタに統一するよ．そのための関数も追加ね．
// ゲーム盤を始末する関数（メモリ領域を開放）
void Free(Board *bd)
{
if (bd == NULL) return;
free(bd->cell);
free(bd);
}
// ゲーム盤を準備する関数（メモリ領域を確保し，初期値を設定）
Board *New(int n)
{
Board *bd;
// 構造体 Board 自身のメモリ領域の確保
// ...全メンバ変数（ポインタ cell と変数 size）の格納用ね
bd = (Board *)malloc(sizeof(Board));
if (bd == NULL) return (NULL);
// メンバ cell 配列のメモリ領域の確保
// ... マス配列 int cell[n*n] の実体の格納用ね
bd->cell = (int *)malloc(sizeof(int)*n*n);
if (bd->cell == NULL) { // bd->cell の確保に失敗した場合...
Free(bd); // bd 自身は確保済みなので，忘れずに解放!!
return (NULL);
}
// サイズの設定
bd->size = n;
return (bd);
}
int main(void)
{
// Board bd; // 構造体変数の実体だったものを...
Board *bd; // ...構造体へのポインタに変更
...
// bd.size = ...; // 関数化したよ
// bd.cell = ...;
// if (bd.cell == NULL) ...;
bd = New(n); // 構造体を準備（メモリ確保，初期値設定）
if (bd == NULL) return (1);
...
// Clear(&bd); // 実体だったのでポインタ化してたけど...
Clear(bd); // ...今はそのまま（& なし）でポインタだよ
player = 1;
while (1) {
Draw(bd); // 同上
while (1) {
...
if (Get(bd, y, x) == 0) break; // 同上
...
}
Set(bd, y, x, player); // 同上
...
}
...
END:
printf(...);
// free(bd.cell); // 関数化したよ
Free(bd); // 構造体を始末（メモリ開放）
return (0);
}
記述効率...本当に高まったのか？ コード量が増えたし，一部の内容は元に戻ったようだが？
プログラム全体的には...確かに， 今回のような小規模なプログラムでは実感できません． より複雑で大規模なプログラムで初めて効果が現れます．
また，小規模なプログラムでも， メイン関数にだけ注目すれば， 短く，見通し良くなったハズ．
前回作成の pendraw.c に構造体を導入せよ．
typedef struct {
int x, y; // 元の変数 x, y
int state; // 元の変数 pen
} Pen; // ペンの構造体
...
int pen;
int x, y;
Pen pen;
...
説明済みですが，念のため... 構造体を関数呼出の引数・戻り値として使う場合， 常に，参照渡し（ポインタ引数）とするとよい．
値渡しでは，構造体のすべてのメンバ変数をコピーするため， メモリ領域を２倍使うだけでなく， コピー処理に時間もかかる．
参照渡しでは， 構造体の先頭アドレス１個だけのコピーで済み， 呼出元と呼出先の関数間でメモリ領域を共有するので， 処理時間もメモリ使用量も少ない．