02: 変数と標準入出力

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1 C プログラミング入門 総機 1 ( 月 1) 14: 発展事項

2 今日の内容 これまでの講義で説明していない事項についていくつか簡単に紹介する 文法 標準入出力ファイル 異常終了 短絡評価 文字定数の型 キャスト 変数の宣言位置 グローバル変数 静的変数 (static) const 変数 プリプロセッサ ディレクティブ マクロ ファイルの読み込み 数学関数のエラーチェック 関数ポインタ 可変長引数 プログラミング技術 モジュールプログラミング 外部リンケージ アサーション C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 2

3 文法 C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 3

4 標準入出力 標準入力 標準出力はファイルの一種 それぞれ stdin, stdout という FILE ポインタがグローバル変数で定義されている たとえば printf("hello!"); は fprintf(stdout, "Hello!); と同じ 標準エラー出力というのもある <stddef.h> で定義されているが <stdio.h> などで読み込まれている fprintf(stderr, "Memory error n"); 標準出力とは区別されていて エラーを知らせる時に使う 標準出力がリダイレクトされてもエラーは画面に出る C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 4

5 正常終了 異常終了 main() から return で終了した場合を正常終了という 標準ライブラリ関数 exit() を使っても同じ 終了時に自動的に呼ばれる関数を atexit() で登録することができる OS による検出などで強制的に終了することを異常終了という プログラムから意図的に行うには abort() を用いる シグナルをトラップして処理できる ( 詳細略 ) C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 5

6 短絡評価 論理演算子の最初の式から全体の値が決まる場合 2 つ目の式を評価しない ( 式 1) && ( 式 2) : ( 式 1) が偽の場合 ( 式 2) を評価しない式全体として偽となる ( 式 1) ( 式 2) : ( 式 1) が真の場合 ( 式 2) を評価しない式全体として真となる たとえば 以下のような場合に意味を持つ if(p!= NULL && p[0] == 3) もし p が null ポインタの場合 p[0] は評価できないが 短絡評価されるので問題ない もちろん if(p!= NULL) { if(p[0] == 3)... } と書いてもよい C プログラミング入門総機 1 ( 月 1)

7 文字定数の型 文字定数 ( 文字リテラル ) は char 型ではなく int 型である 例 : 'A' は ASCII コードでは int の 65 標準ライブラリ関数で文字を扱う関数では 文字を指定するのに int 型となっている 例 : 指定した文字 ch を文字列 str から見つける char *strchr(const char *str, int ch); C++ では 文字リテラルは char 型である C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 7

8 数値を任意の型に強制的に変換する 変換されるものに対して挙動が異なる 構文 : ( 型 ) 値 キャストの例 (int)4.5 (int *)p キャスト 演算子の一種 4.5 を 4 に切り捨てる ポインタの型を変える const 型を非 const 型に変更することもできる キャストはバグの温床なので多用しない const を使う意義がなくなるので やるべきではない () はいろいろなところで使われるので検索で見つけづらい C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 8

9 ローカル変数の宣言位置 C89 まではローカル変数は必ずブロックの先頭で宣言する必要がある C99 以降はどこでも可能になった { ここで定義するよりは int i, j, k; // int sum = 0;... 長いプログラムここでは... sum は全く使われない int sum = 0; GCC は標準で許容 for(... C++ の文法を導入したもの { sum += s[i]; 使用する直前で宣言するここで定義す... れば ここかほうがコードが読みやす } ら始めて使わ } れることがわいかる C プログラミング入門総機 1 ( 月 1)

10 グローバル変数 関数の外で宣言される変数 宣言位置以降どこでも可視 初期化がない場合 0 に初期化される ソース全体の定数などに利用 デフォルトで外部リンケージを持つため ほかのプログラムとの共有をしない場合は static を付ける 詳細略 #include <stdio.h> const int PI = ; int count; int func1(void) const を付けて { 定数として使う... } 実行開始時に 0 int main(void) に初期化される {... } C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 10

11 関数内の static 宣言 関数の変数宣言に static を付けるとグローバル変数と同様にプログラムの開始時から終了まで生存する変数となる スコープはその関数のみ 初期化を指定しない場合 0 に初期化される 書かなくても 0 #include <stdio.h> に初期化される int count(void) { static int n = 0; ++n; return n; } 呼び出すたびに 1 増える int main(void) { printf("%d n", count()); グローバル変数に対する static とは効 printf("%d n", count()); 果が異なる C プログラミング入門総機 1 ( 月 1)

12 再掲 変数とポインタと動的メモリ確保の整理 分類生存期間スコープメモリ領域初期化 自動変数 ( ローカル変数 ) 大域変数 ( グローバル変数 ) 静的変数 (static 変数 ) 動的メモリ 定義位置からブロック終端まで プログラムの実行開始から終了まで プログラムの実行開始から終了まで 確保から解放まで 定義位置からブロック終端まで 定義位置からプログラム終了まで 定義位置からブロック終端まで スタック 静的領域 静的領域 ヒープ 初期化が指定されている場合のみ ブロックに入るたびに初期化される プログラム開始時に 1 度だけ 初期化が指定されない場合 0 で初期化される 同上 malloc() はされない calloc() は 0 を書きこむ C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 12

13 プリプロセッサとディレクティブ # で始まるものは プログラムのコンパイル前にプリプロセッサというソフトで処理される これをディレクティブという #include によるヘッダファイルの読み込みや #define のマクロなどはこれの一種 #if, #ifdef, #ifndef, #endif, #define, #undef, #line などがある 詳細は リファレンスサイトで調べてください C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 13

14 主に定数を書く際に用いられる 通常のマクロと 関数型のマクロがある どちらも #define ディレクティブで定義する 例 マクロ 間に = を書かない 最後にセミコロンは付けない #define MVAL 100 ソースコード中のすべての MVAL を 文字列 100 で置き換える 多くの場合マクロを使わず グローバル変数を書くべき static const int MVAL = 100; 関数の外で書く 値の型が必要 C プログラミング入門総機 1 ( 月 1)

15 標準ライブラリでは 定数の多くがマクロで定義されている 例 RAND_MAX マクロ 乱数の最大値 EXIT_SUCCESS, EXIT_FAILURE return の後に 0 や 1 を書く代わりに使う ERANGE 数学関数のエラーコード EOF ファイルの終端 C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 15

16 関数型マクロは 関数の様に引数を与えることができる 特に理由がない限り 普通の関数を使うべき 標準ライブラリ関数のいくつかはマクロである 例 関数型マクロ #define xy2idx(x,y,w) ((x)+(y)*(w)) いつも決まった式を書く場合に便利 単純なソースコード上の文字列の置き換えになるので 解釈がおかしくならないように 引数それぞれと 式全体に括弧を付ける C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 16

17 関数型マクロ 標準ライブラリの関数型マクロの例 getc(fp) fgetc(fp) と等価 assert(exp) exp が偽であれば異常終了する C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 17

18 プログラミング技術 C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 18

19 const コレクトネス 関数の引数がポインタであり それを通して値を変更しない場合は常に const を付ける ( 説明済み ) ローカル変数で変更をしないものには常に const を付ける コンパイラによる最適化 ( 高速化 ) が期待できる C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 19

20 アサーション ( 表明 ) (assertion) ソースコード中で 常に成り立つ条件をコードで表す コメントで書くより効果的 #include <stdio.h> #include <assert.h> // n 要素の int 配列 a の総和 int sum(const int *a, int n) assert マクロを使う { 条件を満たさない場合 int s = 0, i; 異常終了する assert(n > 0); assert(a!= NULL); 常に条件が満たされる for(i = 0; i < n; ++i) ようにコードを書く { 条件を満たさない s += a[i]; 限り以降の処理がプログラムのバグがない } 正しく行われない return s; ので 絶対に進ま 全てのアサーションが真せない } C プログラミング入門総機 1 ( 月 1)

21 アサーションの無効化 条件判断には計算時間がかかるため リリース製品のような場合には無効化する NDEBUG マクロを定義すると 条件式が空行に置き代わる gcc では コンパイル時に -DNDEBUG オプションを付ける C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 21

22 バグのないプログラム 全てのアサーションが真 プログラマは アサーションに違反しないように関数を呼び出すことを強制される ( 契約 ) アサーションは 多ければ多いほど良い 一度書いたアサーションは基本的に消さない 詳細は 以下のキーワードで調べてください 事前条件 事後条件 不変条件 ホーア論理 (Hoare logic) アサーションの考え方 契約プログラミング (Programming (Design) by Contract) C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 22

23 コンパイルとリンク ソースコードファイル コンパイル (compile) オブジェクトファイル リンク (link) myprog1.c myprog1.o 実行可能形式 (executable) savepgm() myprog1 drawline() func1() main() 標準ライブラリ (libc.so) それぞれを行うソフトウェアを printf() コンパイラ (compiler), リンカ使用するコンパイラに malloc() (linker) という付属するライブラリ gcc は これらを総合して実行... するコンパイラドライバである C プログラミング入門総機 1 ( 月 1)

24 モジュールプログラミング いくつかのプログラムで共通の処理を ソースコードから分離する myprog1.c myprog2.c myprog3.c 同じ関数が複数のプログラムに存在する savepgm() drawline() func1() main() savepgm() loadpgm() func2() main() savepgm() loadpgm() drawline() main() pgm_module.c 共通の処理を抜き出す savepgm() loadpgm() drawline() C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 24

25 モジュールプログラミング コンパイル リンク pgm_module.c savepgm() loadpgm() drawline() myprog1.c func1() main() モジュール pmg_module.o myprog1.o myprog1 モジュール に分けた関数は含んで 標準ライブラリ いない C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 25

26 モジュール分けしたプログラムのビルド それぞれのソースをコンパイルして オブジェクトファイルを生成 gcc -c -o pgm_module.o pgm_module.c Wall Wextra gcc -c -o myprog1.o myprog.c Wall Wextra リンク gcc -o myprog1 myprog.o pgm_module.o Wall Wextra C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 26

27 外部リンケージ コンパイル リンク pgm_module.c savepgm() loadpgm() drawline() myprog1.c static int func1(void); main() pmg_module.o 公開される関数 savepgm loadpgm drawline myprog1.o 公開される関数 main リンクの対象となる公開された関数やグローバル変数は外部リンケージを持つという関数やグローバル変数は普通は外部リンケージを持つ myprog1 複数のオブジェクトファイルが同じ名前の関数や変数を公開している場合 リンクの結果は未定義である したがって 最小限のものだけを公開する必要がある 他のモジュールから使われる標準ライブラリことのない関数, グローバル変数には static を付ける C プログラミング入門総機 1 ( 月 1)

28 モジュールの作成 モジュール分けするために以下のことをする モジュールで公開しない関数に static を付ける モジュールで公開しないグローバル変数に static を付ける モジュールのヘッダファイルとして 公開する関数のプロトタイプ 公開するグローバル変数の extern 宣言を書く ヘッダファイルにインクルードガードを書く モジュールで自分のヘッダをインクルードする 詳細は 書籍などを参照 C プログラミング入門総機 1 ( 月 1) 28

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