🧑‍🚀C言語で学ぶプログラミング：ProcessingからC言語へ

1. C言語ってどんな言語？Processingとの違い

Processingで学んだ「変数・分岐・繰り返し・関数・配列」の知識をC言語で学び直し、さらに**「ポインタ」と「構造体」**という新しい概念の習得を目指します。

Processingの長所と短所

• Processingの優れている点:
  • 導入が簡単: インストールするだけで、環境設定がほとんど不要です。
  • 視覚的表現に特化: グラフや図形を使った入門学習がしやすくなっています。
  • コンピュータの内部構造を気にしなくてOK: メモリの使い方などを深く知らなくてもプログラミングができます。このため、プログラミングの「入門教育」としては非常に適切です。
• Processingでは不十分な点:
  • コンピュータの内部構造への理解が浅いままになりがち: 高度なプログラミングでは、コンピュータの内部構造を理解することが必須です。
  • 現場でそのまま利用されるケースは少ない: 専門的な情報科学を学ぶ上では、Processingだけでは不十分とされています。

なぜC言語を学ぶのか？

C言語は、コンピュータの内部構造を把握しながらプログラミングができるため、より高度なプログラミングが可能になります。また、多くの高級プログラミング言語の基礎となっているため、C言語を学ぶことで様々な言語への応用力が身につきます。

ProcessingとC言語は、構文が多少異なるだけで、本質的な書き方は変わりません。draw()がC言語のmain()に相当したり、変数・条件分岐・関数はほぼ同じ考え方で使えます。配列の宣言や出力命令の構文は少し異なりますが、基本は同じです。

2. プログラムの作成・コンパイル・実行サイクル

C言語でプログラムを作る基本的な流れを理解しましょう。

1. 実現したい処理を考える。
2. テキストエディタでプログラムを作成し、「xxx.c」として保存する。
   • 授業ではEmacsが標準環境ですが、慣れているエディタを使っても問題ありません（ただし、授業内試験ではEmacs限定の可能性があります）。
3. コンパイラを用いて「xxx.c」をコンパイルする。
   • コンパイルとは、プログラムのソースコードをコンピュータが実行可能な機械語に翻訳することです。
   • gccというC言語のコンパイラを使います。
   • コマンド例: $ gcc -o hello.exe hello.c
4. 実行可能な「xxx.exe」を実行してみる。
   • コマンド例: $ ./hello.exe
5. 期待通りの結果か確認する。
   • もし期待通りでなければ、ステップ1に戻って考え直したり、ソースコードを修正します。

実際にやってみよう！「Hello World」プログラム

準備: フォルダの作成とDockerコンテナの起動

この講義では、Linux環境（Ubuntu）上でC言語のプログラミングを行います。Dockerを使うことで、簡単にその環境を構築できます。

1. 端末（ターミナル/PowerShell）を起動します（管理者権限で起動しないよう注意してください！）。
2. フォルダを作成します。
   • mkdir -p lecture/pp1
   • ls lecture でフォルダが作成されたか確認できます。
3. Dockerコンテナを起動します。
   • Macの場合: $ docker run -it --rm -v $(pwd)/lecture/pp1/:/home/is-user/work/ ischs/jisshu2
   • Windowsの場合: $ docker run -it --rm -v ${pwd}/lecture/pp1/:/home/is-user/work/ ischs/jisshu2
   • プロンプトが is-user@... で始まるものに切り替わったら成功です。

プログラムの作成・コンパイル・実行

1. 作業フォルダへ移動します。

   • $ cd work

2. Emacsを起動してプログラムを作成します。

   • $ emacs hello.c

3. Emacs内で以下のプログラムを入力します。

   #include<stdio.h> // 標準入出力ライブラリを読み込む
   
   int main( ){ // C言語プログラムはここから実行される
       printf("Hello World!¥n"); // 画面に「Hello World!」と表示し、改行する
       return 0; // プログラムが正常終了したことを示す
   }
   

   • Emacsの基本操作:
     • 保存: C-x C-s (Ctrlキーを押しながらx、続けてsを入力)
     • 閉じる: C-x C-c (Ctrlキーを押しながらx、続けてcを入力)

4. プログラムを保存し、Emacsを閉じたら、コンパイルします。

   • $ gcc -o hello.exe hello.c

5. 実行します。

   • $ ./hello.exe
   • Hello World! と表示されれば成功です！

プログラムのデバッグ

コンパイル時にエラーメッセージが表示されたら、それはプログラムにミスがあるサインです。エラーメッセージをよく読み、内容を理解した上で修正することが上達の近道です。エラーが指摘された行番号とその前後の文脈を確認しましょう。

3. C言語による画面出力

C言語で画面にメッセージを表示するには、printf関数を使います。

基本的な画面出力

#include<stdio.h>

int main( ) {
    printf("Hello World¥n");       // 「Hello World」と表示し、改行する
    printf("Hello World");         // 改行しない
    printf("Hello World¥n");
    printf("¥n");                  // 空行を挿入する
    printf("Hello World¥n");
    return 0;
}

• #include <stdio.h>: 標準入出力 (standard input & output) を行うために必要なライブラリ stdio.h を読み込む命令です。
• printf("メッセージ");: 標準出力にメッセージを表示します。表示したい文字列は"（ダブルクォーテーション）で囲みます。
• ¥n: エスケープシーケンスと呼ばれ、改行を表します。「¥」はバックスラッシュのことです。¥tはタブを表し、出力を整形するのに役立ちます。

計算結果の出力

printf関数は、計算結果を表示するためにも使われます。このとき、**「変換指定子」**というものを使います。

• %d: 整数型 (int) の値を表示します。
• %f: 浮動小数点型 (double, float) の値を表示します。
• %g: 浮動小数点型 (double, float) の値を表示します。%fよりも自動的に適切な表示形式を選んでくれます。

#include<stdio.h>

int main( ){
    printf("%d + %f = %f ¥n", 189, 1.1,  189 * 1.1 ); // %? の位置に、式の計算結果が代入されて表示される
    return 0;
}

• "で囲まれたメッセージ中に変換指定子を記述し、その後にカンマ区切りで対応する値（変数や式）を並べます。

4. 変数: プログラムの記憶領域

変数は、プログラム実行中に必要な情報を保持するための記憶領域です。例えるなら、**情報を一時的にしまっておく「箱」**のようなものです。

変数を扱う上で、以下の4つの要素を意識しましょう:

• 名前: 参照のために付けられた名前。記憶内容を想像できる名前が良いです。
• 型 (Type): 記憶できる値の種類。箱の「形」や「大きさ」に相当します。C言語では、後から型を変更することはできません。
• 値: 変数の中に実際に記憶されている内容。一つの変数は、一つの値しか記憶できません。
• 住所 (Address): 箱が置いてある場所。ポインタを学ぶと、住所から変数を特定できるようになります。

変数の宣言と初期化

変数を使う前に、まず宣言して準備する必要があります。

• 宣言: 型の名前 変数名;
  • 例: int num; (整数型intのnumという名前の変数を準備)
• 初期化を伴う宣言: 型の名前 変数名 = 値;
  • 例: int num = 8;

よく使う変数の型

名称	読み	サイズ	意味
int	イント	4バイト	整数型
double	ダブル	8バイト	倍精度浮動小数点型（実数）
char	チャー、キャラ	1バイト	文字型

変数名に関するルール

C言語の変数名には以下の規則があります:

• 大文字と小文字は区別されます。
• キーワード（予約語）は使えません。
• 最初の文字は英字（A-Z, a-z）かアンダースコア（_）でなければなりません。
• 2番目以降の文字は英字、アンダースコア、数字（0-9）が使えます。
• 変数名には意味を想起できる分かりやすい名前を付けることが重要です。

代入と計算

• 代入: 変数に値を入れる操作で、=（代入演算子）を使います。
  • 変数名 = 式;
  • まず右辺の式が計算され、その結果が左辺の変数に上書きされます。
• 変数の値の獲得: 式の中で変数名を使うと、その変数の値がコピーされて取り出されます。変数の値自体は変化しません（上書きされない限り）。

標準入力（キーボードからの入力）

キーボードからデータを入力して変数に格納するには、scanf関数を使います。

• 基本形: scanf("変換指定子", &変数名);
  • &を忘れないように！これは変数の住所を取り出す演算子で、入力値をその住所に代入するために必要です。
• 変換指定子:
  • int型変数: %d
  • double型変数: %lf (注意: lは小文字のエルです)

例: 入力された数値の合計を計算

#include<stdio.h>

int main( ){
    int price = 1200; // 商品の値段
    int num;          // 個数
    int total;        // 合計金額

    printf("1人 %d 円（税込み）です¥n", price); // 値段を表示
    printf("何人ですか？ ");
    scanf("%d", &num); // 個数をキーボードから入力し、numに格納

    total = price * num; // 合計金額を計算

    printf("%d 人ですね¥n合計 %d 円になります¥n", num, total); // 結果を表示
    return 0;
}

5. 条件分岐: 処理の切り替え

条件分岐は、プログラムの処理を条件に従って切り替えることです。

条件式

条件式は、「正しいか間違っているか（真か偽か）」を判断する式です。C言語では、条件式の評価結果が真（True）のときは 1、**偽（False）のときは 0**という整数値になります。

• 比較演算子:

  • ==: 等しい
  • !=: 等しくない
  • >: より大きい
  • >=: 以上
  • <: より小さい
  • <=: 以下

• 論理演算子: 複数の条件を組み合わせるために使います。

  • && (AND): 「かつ」。両方の条件が真のときのみ真。
  • || (OR): 「または」。少なくとも一方の条件が真のときに真。
  • ! (NOT): 「ではない」。条件が真のときに偽、偽のときに真。

if文の種類

1. 単純if文: 条件が真のときのみ処理を実行します。

   if ( 条件式 ) {
       // 条件が真の時の処理
       // 必ず { と } で囲み、インデントしましょう
   }
   

2. if-else文: 「もし条件が真ならばAを実行、そうでなければBを実行」というように、排他的な2択の処理を行います。どちらかの処理が必ず実行されます。

   if ( 条件式 ) {
       // 条件が真の時の処理
   } else {
       // 条件が偽の時の処理
   }
   

3. 多岐条件文 (else if): 複数の条件の中から、最初に真になる条件の処理のみを実行します。else ifは必要なだけ並べることができますが、順番が重要です。

   if( 条件式1 ) {
       // 条件1が真の時の処理
   } else if( 条件式2 ) {
       // 条件1が偽で、条件2が真の時の処理
   } else {
       // 全ての条件が偽の時の処理
   }
   

実際にやってみよう！条件分岐の例

例: 正負ゼロ判定

#include<stdio.h>

int main(void){
    int x;
    printf("input int-> ");
    scanf("%d", &x); // 整数を入力

    if( x > 0 ){
        printf("positive¥n"); // 正の数
    } else if( x < 0){
        printf("negative¥n"); // 負の数
    } else {
        printf("zero¥n"); // ゼロ
    }
    return 0;
}

6. 関数: 処理のまとまり

関数は、特定の処理を行うための命令のまとまりです。数学の関数と同じように、「値を与えると、指示通り処理して結果を返す箱」と考えると分かりやすいでしょう。

関数の利点

• プログラムが機能ごとに整理される: 複雑な処理を一つのまとまりとして扱えるようになります。
• 可読性が上がる: プログラムが読みやすくなります。
• デバッグが容易になる: 不具合の原因を特定しやすくなります。
• 改良が容易になる: 修正の影響範囲が分かりやすくなります。

関数の基本的な書式

返値の型 関数名(引数の型1 引数名1, 引数の型2 引数名2, ...) {
    // 関数が実行する処理
    return 計算結果; // 計算結果を返す
}

• 返値（戻り値）の型: 関数が計算結果として返す値の型を指定します。何も返さない場合はvoidと書きます。
• 関数名: 関数を呼び出すときに使う名前です。
• 仮引数: 関数が受け取る入力値の型と名前を指定します。仮引数には、関数が呼び出されたときに渡された実引数の値がコピーされます（値渡し）。
• return文: 関数の処理を終了し、指定した値を呼び出し元に返します。void型関数の場合はreturn;だけでもOKです。

プロトタイプ宣言

C言語では、関数を呼び出す前にその関数の定義（または宣言）が必要です。main関数よりも後に定義する関数がある場合は、main関数の前にプロトタイプ宣言を行います。

• 書式: 返値の型 関数名(引数の型1, 引数の型2, ...);
  • 引数名は省略できますが、型は必ず記述します。

例: 2つの整数の合計を返す関数

#include<stdio.h>

// プロトタイプ宣言
int addnum(int n1, int n2);

int main(void){
    int n1 = 3, n2 = 5;
    int sum = addnum(n1, n2); // addnum関数を呼び出し、結果をsumに代入
    printf("%d¥n", sum );
    return 0;
}

// addnum関数の定義
int addnum(int n1, int n2) {
    int sum;
    sum = n1 + n2;
    return sum; // 計算結果を返す
}

局所変数（ローカル変数）

関数内で宣言された変数は、その関数の中だけで有効です（局所変数）。関数が呼び出されるたびに新しい変数が準備され、関数の実行が終了するとその変数は消滅します。main関数内の変数と、他の関数内の変数は、たとえ名前が同じでも別のものです。

7. 繰り返し: 同じ処理を繰り返す

プログラムの基本的な処理の流れの一つに繰り返しがあります。C言語には主に3つの繰り返し構文があります。

while文

while文は、条件式が真の間、指定された処理ブロックを繰り返し実行します。

while ( 条件式 ) {
    // 条件が真の間、繰り返される処理
}

• 最初に条件式がチェックされ、真であれば処理が実行されます。
• 繰り返しの「継続条件」を記述します。この式が真の間、ループが継続します。

例: 1から3までの数字を表示

#include<stdio.h>

int main(void){
    int n = 1;
    while( n <= 3 ){ // nが3以下の間、繰り返す
        printf("%d¥n", n);
        n = n + 1; // nの値を1ずつ増やす。これを忘れると無限ループになる！
    }
    return 0;
}

do-while文

do-while文は、最初に一度処理ブロックを実行し、その後、条件式が真の間、処理を繰り返し実行します。最低一度は処理を実行したい場合に適しています。

do {
    // 最初に一度実行され、その後条件が真の間繰り返される処理
} while ( 条件式 ); // セミコロン (;) を忘れずに

for文

for文は、カウンタ変数を使った繰り返しに特に便利です。繰り返しの回数が決まっている場合によく使われます。

for( 前処理; 条件式; 後処理 ) {
    // 処理ブロック
}

• 前処理: ループに入る前に一度だけ実行されます（通常はカウンタ変数の初期化）。
• 条件式: ループの先頭で毎回チェックされ、真の間はループが継続されます。
• 後処理: 各ループの最後に実行されます（通常はカウンタ変数の更新）。

実際にやってみよう！for文の例

例: 1から5までの合計を計算

#include<stdio.h>

int main(void){
    int cnt;
    int sum;

    sum = 0;
    for(cnt = 1; cnt <= 5; cnt = cnt + 1){ // cntが1から5まで1ずつ増加しながら繰り返す
        sum = sum + cnt;
    }
    printf("%d¥n", sum); // 結果を表示
    return 0;
}

多重ループ

ループの中にさらにループを記述することを多重ループと呼びます。例えば、九九の表や図形を描画する際によく利用されます。

例: 九九の表を表示

#include<stdio.h>

int main(void){
    int row, col;

    for(row = 1; row <= 9; row++){ // 行に関する繰り返し
        for(col = 1; col <= 9; col++){ // 列に関する繰り返し
            printf("%2d ", row * col); // 計算結果を表示
        }
        printf("¥n"); // 行の終わりに改行
    }
    return 0;
}

8. 再帰関数: 自分自身を呼び出す関数

再帰関数は、自分の定義の中に、自分自身を呼び出す処理を含む関数です。

再帰の考え方

再帰関数を考える際は、以下の2つの段階を意識します:

• 基底段階（停止条件）: 再帰呼び出しをせず、直接結果を返す最も単純なケースです。これがなければ無限ループになります。
• 帰納段階: 問題を一つ小さなものに置き換えて、自分自身を呼び出す部分です。

実際にやってみよう！階乗の再帰関数

階乗（n!）は以下のように定義できます:

• n == 0 ならば、0! = 1 （基底段階）
• n > 0 ならば、n! = n * (n-1)! （帰納段階）

#include<stdio.h>

// 階乗を計算する再帰関数
int fact_r(int n){
    if( n == 0 ){ // 基底段階: nが0なら1を返す
        return 1;
    }
    // 帰納段階: n * (n-1)! を計算するために自分自身を呼び出す
    return n * fact_r(n-1);
}

int main( void ){
    int n;
    printf("Input N-> ");
    scanf("%d", &n);
    printf("%d! = %d¥n", n, fact_r(n) );
    return 0;
}

9. 配列: 同じ型のデータを複数まとめる

配列は、同じ種類の変数を複数並べたものです。これにより、複数のデータをまとめて効率的に扱うことができます。

配列のイメージ

• 配列内の個々の変数を要素と呼びます。
• 各要素には**添字（インデックス）**という通し番号が付いており、これを使って各要素にアクセスします。
• 添字は0から始まります。例えば、要素数3の配列の添字は0, 1, 2となります。

配列の宣言と初期化

• 宣言: 型の名前 配列名[要素数];
  • 例: int v; (整数型intの要素を3つ持つvという名前の配列を準備)
• 初期化を伴う宣言: 型の名前 配列名[要素数] = {値1, 値2, ...};
  • 例: int v = {10, 20, 30};
  • 要素数を省略して int x[] = {40, 50, 60}; と書くこともできます。この場合、初期値の数から要素数が自動的に決まります。
  • 初期値の数が要素数より少ない場合、残りの要素は0で初期化されます。

配列要素へのアクセス

• 配列名[添字] の形式で、特定の要素にアクセスできます。
  • 例: v = 10; (配列vの0番目の要素に10を代入)

配列の走査 (Iteration) とfor文

配列の各要素を順番に処理することを配列の走査と呼びます。添字が整数であることを利用して、for文を使うのが一般的です。

例: 5個の整数の平均値を計算

#include<stdio.h>

int main(void){
    int i, sum;
    double avg;
    int v; // 要素数5の整数型配列を宣言

    // 配列の各要素に値を入力
    for(i = 0 ; i < 5 ; i++){
        printf("整数%d? ", i+1);
        scanf("%d", &v[i]);
    }

    // 配列の合計を計算
    sum = 0;
    for(i = 0 ; i < 5 ; i++){
        sum = sum + v[i];
    }

    avg = sum/5.0; // 平均値を計算
    printf("平均%f¥n", avg);
    return 0;
}

マクロ定数 #define

配列の長さを固定値ではなくマクロ定数で指定すると、プログラムの可読性や保守性が向上します。

#define マクロ定数名 値

• マクロ定数名は通常、大文字で記述します。
• コンパイル時に、マクロ定数名がその値に置き換えられます。

例: マクロ定数を使った平均値計算

#include<stdio.h>
#define N 5 // 配列の長さをNと定義

int main( void ){
    int score[ N ]; // N個の要素を持つ配列
    int i, sum;

    for(i = 0; i < N; i++){ // N回繰り返す
        printf("Input >");
        scanf("%d", &score[i]);
    }

    sum = 0;
    for(i = 0; i < N; i++){ // N回繰り返す
        sum = sum + score[i];
    }
    printf("avg = %f¥n", (double)sum/N );
    return 0;
}

配列と関数

• C言語では、関数に配列を渡すと、その関数内での配列への操作が呼び出し元の配列にも反映されます。
• 仮引数として配列を受け取る場合、型 配列名[]と記述します。
• Processingのように.lengthで配列の長さを取得することはできないため、配列の長さも引数として渡す必要があります。

例: 配列の内容を表示する関数

#include<stdio.h>
#define N 5

// 配列の内容を表示する関数（配列と長さを引数として受け取る）
void print_array(int d[], int len){
    for(int i = 0; i < len ;i++){
        printf("%d ", d[i]);
    }
    printf("¥n");
}

int main( ){
    int data[N] = { 1, 2, 3, 4, 5};
    print_array( data, N ); // print_array関数を呼び出す
    return 0;
}

おわりに

C言語の基本的な概念と、プログラムの作成・実行サイクル、画面出力、変数、条件分岐、関数、繰り返し、配列について解説しました。これらの基礎は、C言語プログラミングの土台となります。

**C言語の学習で最も重要なのは「暗記」ではなく「反復練習」**です。今回紹介した例を実際に手を動かして試したり、少し内容を変えてみたりすることで、理解を深めていきましょう。