C プログラミング入門

1. Cプログラミング入門 第１回 三輪忍

2. この授業のねらい • ソフトウェア設計技術の基礎の習得 • ソフトウェア設計の目的： • 人間が意図した作業を代わりにコンピュータに行わせること • なぜ？ • 人間は面倒なことはやりたくない • コンピュータは疲れない • そのための方法論を学ぶ • C 言語を題材に

3. 授業の進め方（普通の情報科の場合） • 目的：ソフトウェア設計スキルの習得 • 普通は， • 講義でプログラミング理論を教える • 演習で実装して理解を深める • それぞれ半期ぐらい

4. 授業の進め方（うちの場合） • 『情報科学』（準必修，１年後期） • Ruby を用いたプログラミングの講義と演習 • 空白の１年 • この授業 • C を用いた３回の演習だけ．．． • スタート時点での理解度がばらばら

5. この演習の進め方 • 基本は演習 • これから課題を提示 • 出席とレポートで評価 • 課題の提示後に簡単な講義（１回だけ） • プログラミングをまったく理解していない人向け • 『情報』『情報科学』を履修していない人 • ほとんど忘れてしまった人 • 進められる人は講義中に課題をやってもよい

6. スケジュール • 第１回（４/７） • 演習 or 講義（『コンピュータ概論と C 文法の基礎』） • 第２回（４/１４） • 演習 • 第３回（４/２１） • 演習 • レポート提出（４/２８正午まで）

7. レポートに関して • 内容 • 実装したプログラムをレポート形式で報告 • 実装が十分理解できればソース・コードを提出する必要はない • 提出方法：E-Mail • 宛先：miwa@hal.ipc.i.u-tokyo-ac.jp • Subject： 【プログラミング入門レポート】学籍番号：氏名 • PDF で

8. レポート課題 • 巡回セールスマン問題の近似解を求めるプログラムを作成せよ．作成したプログラムを用いて、下記の都市データの最短経路を求めよ． • 都市データのファイル • http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/ja.txt 100 75 125 125 100 75 50 125 50 100

9. 注意事項 都市1 149 • データ・ファイルの見方 • 1行が1都市に相当 • 各行の3つの数字の意味（例：”1 288 149”） • 都市の番号（”1”） • （都市の位置を 2 次元平面上にプロットした場合の） x 座標（”288”） • y座標（“149”） • レポートに書くべきこと • 実装したアルゴリズムの説明 • 求めた解（ルート，総移動距離） • 解の精度とアルゴリズムの面白さで評価 288

10. 最近近傍法 • まだ訪問していない都市の中で最も近いものを選択 スタート 100 75 125 125 100 75 50 125 50 100

11. コンピュータ概論

12. コンピュータに対する理解 • 生活を豊かにする便利なもの • インターネット端末 • ワード・プロセッサ • 電子書籍リーダ • 携帯電話 • etc • どんなシステム？？？

13. システムとしてのコンピュータ • 融通のきかない人 • あらかじめ決められた手続きしかできない • 決まった言葉（言語・文法）しか理解できない • プログラム • コンピュータに行わせる一連の手続き • 命令の集合として記述 Ex.) C = A + B

14. コンピュータの構成 • Memory • 命令やデータを格納する領域 • CPU（Central Processing Unit） • メモリから命令やデータを取得 • 演算を行う装置 詳しくは『計算システム論第２』で CPU C C A B Memory C = A + B A B C = A + B

15. プログラミング • プログラム • コンピュータに行わせる手続き • 命令の集合 • 最終的には機械語（アセンブリ） • 「01001110 …」 • 人間が直接書くのはほぼ不可能 • 昔は書いてた • 『マイコンプログラミング演習』でもやる • ちょっと複雑になると無理

16. 高級言語とコンパイラ • 高級言語 Ex.) Fortran, C, Java, Ruby, … • これなら何とかなる（for 人間） • 理解不能（for コンピュータ） • コンパイラ • 翻訳を行うプログラム • 高級言語で記述されたものを機械語へと変換 機械語 高級言語 コンパイル

17. コンパイルの手順 • web を参照 • http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/exp-C.html

18. C言語の文法の基礎

19. 内容 • プログラムの基本構造 • データと演算 • 制御の流れ

20. 仕事の例 • 問題： • 進振り対象の学生の成績データ（平均点のデータ．3,000人分）が手元にある．中央値を求めなさい． Ex.) 75点，95点，63点，70点，82点，・・・ • どうやって？ • 人間が集計 • データを昇順に並び替え（ソート） • 1,500人目を探す Ex.) 60点，60点，62点，63点，65点，・・・，77点，・・・ • コンピュータに集計させる 数日仕事 1,500人目 数分仕事

21. ソーティング・アルゴリズム • バブル・ソート • 左端から右端に向かって以下の操作を行う • 隣り合うデータの大小を比較 • 昇順になっていなかったら入れ替え • 右端に到達したら左端に戻ってやり直し • 計算量：最悪 O (n^2) １回目 ２回目 70点 75点 63点 70点 63点 70点 95点 75点 70点 63点 63点 95点 70点 95点 75点 63点 82点 75点 75点 63点 95点 63点 82点 95点 swap swap swap

22. C プログラムの構造 #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } ヘッダ 文 関数 ファイル median.cの内容

23. 関数 • 処理のまとまり • 複数の文からなる • サブルーチンを実現（後述） • 普通は繰り返し行われる処理を関数化 • 同じことを何度も書くのは面倒 • バグのもと

24. 特殊な関数 • main 関数 • プログラムの実行開始地点を表す • 普通は最初に1回呼ばれるだけ #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); }

25. 文 • 処理の最小単位 • 「A を B に代入する」 • 「文字を出力する」 • 「 ; 」 の次の文字から 「 ; 」 まで • １文/行がマナー（例外アリ） #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); }

26. ヘッダ • ヘッダ・ファイルの展開（include） • ヘッダ・ファイル • 複数のファイルで使用される関数などを宣言 • あらかじめ用意されていることもある #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); }

27. C プログラムの構造 文字列を出力する関数（printf）の宣言があるヘッダ・ファイル（stdio.h）を include プログラムの開始地点 #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } ヘッダ 処理の方向 バブル・ソート 文 関数 中央値を出力 プログラムの終了 ファイル median.cの内容

28. データと演算 • プログラムの大部分はデータに対する演算 • 「隣り合う２つの点数を比較する」 • 「２つの点数を交換する」 など 演算 データ

29. データの種類とデータ型 75 • データ • 定数：変更不可　　　　（e.g. “1500”, “3000”） • 変数：値の入れ物．中身を変更可能　　　　（e.g. “i”, “j”, “tmp”） • データ型 • データを扱う形式 • コンパイラが機械語を生成する際のヒント • “A + B”　　　　整数の加算 or 浮動小数点の加算？ 63 95 tmp

30. データ型の種類 • 基本型 • char：1B の数値．文字の型としても使用 • int：整数（通常4B） • float：単精度浮動小数点（通常4B） • double：倍精度浮動小数点（通常8B） • 修飾子 • 長さ（short, long） • 符号（singed, unsigned）

31. 宣言/定義と使用 • 使い方（変数に限らない） • 最初に型を宣言 • どこかで定義（宣言を兼ねることも） • 後は普通に使用 • 宣言/定義の位置 • グローバル • 関数の外で宣言/定義 • そのファイル中のどこでも参照可能 • ローカル • 関数の冒頭で宣言/定義 • その関数内でのみ参照可能 宣言（定義は別のファイル） 関数の冒頭で宣言/定義 #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } 使用

32. 派生型 • 配列 • ベクタ，行列 • インデクス付けされたデータの集合 Ex.) 3,000人分の平均点データ • int data0, data1, …, data2999;int data [3000]; • “data [ i ]” で i番目の要素にアクセス • ポインタ • データのアドレスを格納する変数

33. 演算 • 基本的には同じ型のデータ同士 • 種類 • 算術演算（+, -, ＊, /, %） • 論理演算（&, |, ^, <<, >>, ~） • 関係演算（<, >, >=, <=, ==） • 結果は真（１）or 偽（０） • 代入演算（=） • “A = B” は「A に B を代入する」

34. C プログラムの構造 #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } j番目のデータが j+1 番目のデータよりも大きいか比較 j 番目のデータを tmpに退避 データ交換 j+1 番目のデータを j番目の位置に代入 tmpのデータを j+1 番目の位置に代入 ファイル median.cの内容

35. 制御の流れ ソース・コード • 基本 • 左から右へ • 上から下へ • 流れを変えたいこともある • 条件付き実行 • 「左のデータの値が右のデータの値よりも大きい場合は交換する」 • 「3000回繰り返す（カウンタが3000を超えたら繰り返すのをやめる）」 • 関数呼び出し • “ printf () ”

36. 流れを変えるもの • 分岐 • if 文 • switch 文 • ループ • for 文 • while 文 • サブルーチン

37. 分岐 • switch 文： 条件の値により変更 • 条件によって実行する部分を変更 • if 文： 条件の真偽により変更 switch ( x ) { case 0: A; break; case 1: B; break; } if ( A ) { B; } else { C; } Aが真の場合 xが0の場合 Aが偽の場合 xが1の場合

38. C プログラムの構造 #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } j番目のデータが j+1 番目のデータよりも大きいか比較 結果が真の場合のみ交換を行う ファイル median.cの内容

39. ループ • 条件が成立している限り繰り返す • 書き方は２通り • for 文 / while 文 • どちらでも同じことが実現可能 • 慣例として， • for 文：制御変数が単調に変化する時 　　　　　（配列アクセスなど） • while 文：それ以外 条件式 while ( B ) { D; } B B D D 条件式 制御変数の初期化 制御変数の更新 A for ( A ; B ; C ) { D; } B B D D C C

40. C プログラムの構造 #include <stdio.h> main ( ) { int i, j, tmp; int data [3000]; for ( i = 0 ; i < 3000 – 1 ; i = i + 1) { for ( j = 0 ; j < 3000 – i + 1 ; j = j + 1) { if ( data [ j ] > data [ j + 1 ] ) { tmp = data [ j ]; data [ j ] = data [ j + 1]; data [ j + 1 ] = tmp; } } } printf ( “median = %d\n”, data [1500] ); } iが 2999 に達するまで繰り返す iをインクリメント iを初期化 ファイル median.cの内容

41. サブルーチンと関数 • サブルーチン • 別の処理を呼び出す • 終わったら元の位置に戻る • 関数呼び出し/復帰によって実現 • 関数 • 引数：呼び出し時に関数に渡す 　　　　　データ • 返り値：復帰時に元のルーチン 　　　　　に返すデータ 返り値の型 第１引数 void printf ( char* s, … ) { } printf ( “median = %d\n”, data [1500] );

42. C文法のまとめ • プログラムの基本構造 • データと演算 • データには型が存在 • 制御の流れ • 基本は左から右へ．上から下へ • 流れを変えるもの • 分岐，ループ，関数呼び出し

43. 参考書 • カーニハン＆リッチー：「プログラミング言語C 第２版」，共立出版 • 講義スライド • http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/C1_2013.pptx

44. おまけ

45. この演習の例年の評判 • 正直に言って，あまりよくない • 「どうしたらいいかわからない」 • 「教え方が不親切．できる人にはこれでいいんだろうけど．．．」 • でも，こちらの立場としては， • 理解度のばらつきが大きすぎて，演習や講義の最低ラインを決めるのが非常に難しい（あまりに易しくしすぎると，できる人には物足りない演習になる） • 誰が何をわかってないのかこちらはわからないので，わからないことがあるなら質問してほしい（演習の間は講義室にいるのだから） できない人をサポートしつつ，できる人も楽しめる演習にするにはどうすればよいか？

46. 対応策 • サンプル・プログラムを配ります • データ・ファイルの読み込み，結果の出力部分など，アルゴリズムとは直接関係ない部分を実装する手間を削減 • アルゴリズムの考案・実装に注力できるようになる • サンプル・プログラムの URL • http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/tsp.c ※ あくまでサンプルなので，ゼロから自分で書きたい人は自由に書いてください

47. 直前にいた都市 の座標（X, Y） 訪問中の都市 の座標（X, Y） この都市に訪問するまで のトータルの移動距離 １行が都市間の 移動１回を表す