Ｃ言語入門

Ｃ言語は、ＢＡＳＩＣやＣＯＢＯＬのような高レベル言語と、アセンブラのような機械語との中間のような言語です。つまり、ＢＡＳＩＣのようなインタプリタ言語ほど人間に近い言葉ではないにせよ、アセンブラほど機械語にも近くない言語といえます。

つまり、簡単に言えば、低レベル制御のできるコンパイラ言語という事になります。

MS-DOS(16ビット)時代では、装置ドライバなどはアセンブラで記述するのが主でしたが、３２ビット・６４ビット時代になると速度を要求する処理にアセンブラが使われることは稀で、ほとんどが低レベル制御が可能なＣ言語で記述されるようになりました。このように、Ｃ言語は今やプログラム開発にはかかせないものとなりました。

Ｃ言語の特徴として、

• BASIC言語では『サブルーチン』と呼ばれていたものを、『関数』という概念で扱う。
• 関数を呼ぶための関数（もしくは、それを呼ぶための関数）等々、関数を拡張してゆく事ができる。
• 構造化プログラミングの概念をもちつつ、ｇｏｔｏ文も使えるという、柔軟な設計が可能である。

といった所でしょう。入門編では、Ｃ言語で重要と思われる、文法、型の宣言、printf、ポインタ、ループ・条件判断、演算子、ファイルについて見てゆきたいと思います。

行
Ｃ言語では、基本的に改行コードにあまり意味がありません。（プリプロセッサは除く）１つの行は；（セミコロン）で区切ります。１行が長くなる場合には途中で改行コードを入れてもかまいません。（変数や関数の途中ではダメですが） とにかく、コンパイラはセミコロン～セミコロンが1行とみなします。

例）
printf("hello word\n");

コメント
コメント文は、/*　　*/で囲まれた部分がコメントとなり、この間に書かれたものはコンパイルされません。他の言語の多くが改行コードがコメント文の終わりであるのに対し、Ｃ言語では途中に改行を入れてもコメントの終わりとはならず、*/が来るまではコメントとみなします。

例）
/*　 この行はコメントです　 */

関数
関数とは、ある引数（複数になる場合も）を与えると、引数を使って決まった計算をし、結果を返す処理の事です。Ｃ言語には『メインルーチン』『サブルーチン』なる概念がありません。すべてが『関数』という概念になっています。ちなみに、他の言語で『メインルーチン』と呼ばれるものは、Ｃ言語では、main()と呼ばれる１つの関数です。コンパイラはこのmain()関数をまず初めに実行し、main()関数の終了が、プログラムの終了という事になります。

Ｃ言語では、関数をいくつも組み合わせることで１つのプログラムになります。

関数は、

のように記述します。例えば、

の場合、戻り値がint型、名前がnibai、引数がint型のaで、関数本体が、｛と｝で囲まれた部分という事になります。この場合、引数を２倍した結果を返す関数で、 c=nibai(2)とか書くと、引数（この場合は２）が２倍され、cに４が入るわけです。

void
Ｃ言語では、頻繁にvoidという言葉が使われます。これは、簡単にいうと『ない』という意味です。たとえば、 void main() のように、関数の前にvoidをつける事で、『この関数には戻り値がありません』という意味になります。

同様に、 int kansuu(void)と書くことで、『この関数には引数がありません』という意味になります。

大文字小文字
Ｃ言語では、命令はすべて小文字で書きます。また、変数名の大文字小文字は区別します。hensuuとHENSUUは別の変数になります。

変数名は基本的には全てを小文字で記述しますが、FILEなどの構造体のタグは大文字、defineで定義された定数は大文字で表記し、Ｃ＋＋で使われるクラスでは頭文字だけを大文字にような習慣があります。また、defineを使わなくとも、定数としてとしての意味が強い変数（つまり、プログラムの途中で頻繁に代入したりしない）は、全てを大文字で書く習慣があります。

そういう規則で作らなくともコンパイルエラーが出るわけではないし、強制ではないのですが、既にこの規則が一般化しているので、これからプログラムを学習する人はその風習に従うことにしましょう。

Ｃ言語では、変数は宣言してから使います。宣言する時に、型を指定します。

ここで、明確に長さが決まってるのはcharだけです。charは８ビット（１バイト）と決まっており、扱う値が１バイト以内で十分（-128～127)な場合に使います。ポインター変数では、１バイト単位である事を示します。文字列はchar*で定義する場合が多いです。

intは基本的には「そのコンピューターが一度にPUSHできるビット数」となっていますが、６４ビット機でMS-DOSを動かしても16ビットですし、３２ビット版のOSを動かすと３２ビットですし、実際にオーバーフローさせて確かめてみるしかなさそうです。

MS-DOSの時代では、intが16ビット、longが32ビットでしたが、６４ビットで計算したくともlong longと定義してもｌongと同じ32ビットになってしまうコンパイラばっかりでした。なので１０桁以上の数値はdouble型で定義したりしてました。

Linuxではfloatであっても６４ビットで計算してくれるコンパイラが多くなりました。（精度を指定した場合は別ですが）コンパイラによっては互換性のためにfloatと明確に指定すると３２ビットまでわざと精度を落とすために、かえって低速になってしまう場合もあるようですが、大抵はLinuxで小数点を計算したい時はfloatと指定すれば倍制度で計算してくれるようです。

変数には、ローカル変数と、グローバル変数があります。ローカル変数とは、関数の中で宣言された変数の事で、その宣言された関数の中でのみ使用できます。また、グローバル変数とは、関数の外で宣言され、その実行単位すべてで共通して使用可能です。

グローバル変数はあまり使わない方が良いとされていますが、全関数で共通して使う定数や、そのシステム内で共通で使うバッファへのポインタなどはグローバルで定義しておくと、なにかと便利です。

この他に、宣言する際に、記憶クラスを指定する事ができます。

staticはデーター記憶領域にメモリを割り当て、コンパイル時に一度だけ初期化されます。グローバル変数で記憶クラスを省略すると、staticが宣言されたものみなします。

externは分割コンパイル時に、他の実行単位にその変数の宣言がある事を示し、実体はそこでは確保されません。リンク時に、どこにもexternで宣言した変数の実体がないと、エラーになります。

autoは、記憶領域としてスタックを使用し、その実行単位に制御が移る毎に初期化されます。たとえば、kansuu1();内で宣言されたローカル変数は、その関数が呼ばれるたびに初期化されます。ローカル変数で記憶クラスを省略した場合、自動的にautoが指定された事になります。その関数が終了した地点でスタックは破棄され、ローカル変数の値も破棄されます。

registerは、指定されたローカル変数を、レジスターで保存する事を示しています。これにより、高速化をはかることができます。ただし、registerで宣言した変数が多すぎると、レジスターを割り当てることができなくなるため、スタックが使用されるようになります。（autoと同じになる） 最近では、機械の性能も向上しているため、あまりスピードにこだわる必要がなく、registerはどうしてもという場合以外はあまり使わないと思います。

では、さっそく、printf文を使って画面に何か文字を表示させてみましょう。

#include <stdio.h>
main() {
　　printf("hello word\n");
}

これは、stdio.h内で宣言されたprintfという関数を使って、hello wordという文を出力するための関数（mainという名の関数）です。printfは、『決められた書式で文字列を標準出力に出力せよ』という関数です。

ここで、まず注目して欲しいのは、printfのあとの（）です。この（）の中身を引数といいます。この引数を関数に渡し、関数ではそれを処理します。printfの場合、まず、”…”（ダブルクォートで囲まれた部分）を処理します。ここに通常の文字があればそのまま表示し、指示子があれば、その規則にしたがって処理をします。

この””の中にある￥ｎに注意してください。これは、別に￥ｎという文字が出るのではなく、制御文字といって、特別な意味があります。

この￥をエスケープキャラクタと呼び、この記号に続く次の文字と組み合わせて、１つの意味を持ちます。また、￥マーク自身を表記したい時は、￥￥という風に、エンマークを２個続けて書きます。この場合、hello word\nと書かれていますので、画面に『hello word』と表示した後、改行と復帰を行うという事です。（つまり、標準出力に0AHを出力させるわけです。）

次に、printf中に数値を表示したい場合を考えてみましょう。この場合、指示子を入れます。これは、％に続いて、記述します。

［％］［右詰め左詰め区分］［ゼロで埋めるかどうか］［整数の桁］［．］［少数の桁］［型］

右詰め左詰め区分

ゼロでうめるかどうか

整数の桁、小数の桁は、それぞれ数字で表します。

型

たとえば、
％-5.0d
と書いた場合、左詰めの、整数部５桁、小数部０桁、ｉｎｔ型の数値を１０進数で出すという意味になります。

ここで、もしunsignedで宣言してある数値だとしても、型にｄを指定すると、マイナスで表記されてしまう場合があります。uneignedで宣言した数値は、uを指定するようにします。また、longを指定した場合、luという風に、先頭に小文字のｌ（エル）を書いてください。また、double longの時は、fの前に大文字のＬをつけてください。

このように、printf内では、宣言したときの変数の型にあったものを、このprintf内で指定します。宣言したときの型をprintfが自動的に判断してくれるわけではないので、注意してください。

この、ダブルクォートで囲まれた部分を記述した後、，（カンマ）で区切って表示したい変数を並べて書きます。

例）

int a=10;
printf("a=%d\n",a);

の場合、結果は、a=10と表示されます。

Ｃ言語でいう配列は、ＢＡＳＩＣやＣＯＢＯＬでの配列とは少し意味あいが異なります。Ｃ言語でいう配列は、『ポインター変数を宣言し、決められたバイト数分だけ実体を確保する』という事です。

また、参照する方法が、ポインター変数とは異なっています。

宣言
たとえば、文字列を格納する配列は、

char moji[80];
みたいに宣言します。また、宣言と同時に、
static char moji[80]="MOJI"
みたいに初期化する事ができます。

また、数値配列だった場合、
int suuji[10];
みたいに宣言します。宣言と同時に初期化したい時は、
static int suuji[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
みたいにします。

代入
配列に値を代入する場合、
moji[0]='M';
moji[1]='O';
moji[2]='J';
moji[3]='I';

みたいに、１個ずつしか代入できません。そのため、通常はいったんポインター変数に値をいれておき、strcpyなどでコピーします。

添字
ＢＡＳＩＣやＣＯＢＯＬでは添字にゼロを入れるとエラーになるか、あるいは１が指定されたものと見なされますが、Ｃ言語では添字は、０から始まります。したがって、配列を８０個定義した場合、実際には添字は０～７９になります。

なお、添字をオーバーした場合、ＢＡＳＩＣやＣＯＢＯＬではエラーになりますが、Ｃ言語ではエラーにはならず、どこかのメモリを破壊するだけなので、注意が必要です。MS-DOSでは暴走、Linuxではセグメンテーションフォルトになると思います。

ポインタ変数とは、つまり、「変数を格納した場所を示した変数」という事になります。

たとえば、
int *a;

とすると、変数ａの実体は確保されませんで、変数ａをの示すポインターが確保されたという事です。実際には、ポインター変数を初期化するか、あるいは、malloc( )で確保するまで実体がありません。つまり、

int *a;
gets(a);

などとすると、メモリーを破壊してセグメンテーションフォルトとか、予期せぬ動作をします。というのも、実体のないポインター変数ａにキーボードから入れた文字列を入れてしまうからです。この時、ａはどこを指しているかわかりませんので、とにかく『どっかが壊れる』事になります。

そこで、gets()などを使う場合、mallocを使って、実体を確保しておく必要があります。

なお、メモリが足りなくて確保できない場合のことも考えて、通常は以下のように作ります。

Ｃ言語では、関数から関数を呼ぶ場合、引数として値そのもの、もしくは、ポインターを渡します。

値渡し
値そのものを渡す場合、渡したい値がスタックにプッシュされ、呼び出された先でポップされて使われます。そのため、呼び出された側で値を変更しても、呼び出し側には影響を受けません。

ポインター渡し
ポインター渡しの場合、その変数のアドレスがスタックにプッシュされ、呼び出され側でポップされます。そのため、呼び出した側と、呼び出された側では、同じアドレスのメモリーを参照する事になるため、呼び出され側で変数を変更すると、呼び出し側の方でも変数が変化します。

この他、Ｃ＋＋では『参照渡し』がありますが、それについてはＣ＋＋の方に書きます。

どの言語でも条件判断は必要ですが、Ｃ言語では、他の多くの言語と同様、if文が用意されています。また、ループ処理として、whileやfor文が用意されています。

if
式の値が真なら、続く｛　｝内の文を実行します。偽なら、else｛　｝内の文を実行します。

while
式の値が真の間ループします。

do while
whileとほとんど同じですが、条件にかかわらず少なくとも１回は実行します。

switch～case
（式）の値を評価し、caseで示された値の所を実行します。

switchでは次のラベル(case）が来ると実行を止めるわけではなく、break;が来てswitch文から抜けます。なので、break;を忘れると、その下に記述した条件全てが実行されてしまいます。

for
ループカウンターを使ってループします。

break
現在実行中の一番内側のループから脱出します。if文などの条件式で使う場合がほとんどです。

continue
現在実行中の一番内側のループ処理の頭に戻ります。 ループからは抜けませんが、付加実行式は実行されるため、そこで条件が偽になった場合は結果的にループから抜けます。これも条件式で使います。

Ｃ言語では、分岐命令としてgoto文が用意されています。

goto文は使用すると『構造化プログラミングの規則を壊す』とか、『Ｃ言語の癌』とか言われ、かなり評判が悪いようですが、ディスクエラーやユーザーの判断による強制中止、デバッグのため強制的にプログラムの流れを変えたいなど、色々と使い道はあると思います。

例えば、ファイル読み書きの関数内で、ディスクエラーがあった場合、ディスクのエラー処理（フロッピーの挿入を促すメッセージと共に、＜中止＞か＜リトライ＞か＜無視＞かを選択するなど）を行い、その判断によってメインルーチンのさまざまな場所に復帰する場合などです。

このような、例外的処理は、プログラムのメインルーチンとは別の場所に一括してエラー処理ルーチンを作った方が、あとで見てわかりやすいのと、エラー後の行動をユーザーが自由に選べるというような、柔軟な設計にする事ができるようになるからです。

同様に、印刷ルーチンでユーザーがいつでも強制終了ができるようにしたり、入力ルーチンでユーザーが好きな場所から入力をやりなおせるという風に、ユーザーの使いやすい設計にするためには、gotoは不可欠だと思います。

ただし、慣れてくると、便利なものだからつい使わなくても良い所でもgotoを使ってしまいがちになりますが、例外処理でもない限り、できるだけgotoは使わずに済ませましょう。

ファイルの入出力は高水準入出力関数と、低水準入出力関数があります。高水準関数は、いわゆるBASICでいうところのOPEN や PRINT# などに近いもので、互換性が重視されています。また、低水準関数はＯＳに依存しますが、高水準関数ではできないファイルの入出力が可能になります。

高水準関数
FILE構造体を使って、ファイルの読み書きを行います。FILE構造体とは、stdio.hで#defineで『struct _iobuf』と定義され、さらにその_iobufの構造が定義されています。ここには、ファイルハンドルやファイルの現在の読み書きポインター等が保存されています。

これを、自分のプログラムで使う場合に、

FILE *fp

というふうにして、_iobufの構造体へのポインタを宣言します。そして、ファイルをオープンする際に、fp=fopen(filename,"r")みたいにして、ポインターに代入します。以降のリード／ライトおよびクローズはすべてこのポインタ（ここではfp）を使って行います。

高水準入出力については、入力はキーボードからの入力である、getsやscanfなどがファイルからの読み込みになり、画面出力であるputsやprintfなどがファイルに出力されるものと考えればわかりやすいと思います。

この他、ランダムアクセスのための、ファイルポインターを移動させたり初期化したりする関数が用意されています。MS-DOSの、INT 21Hを使った事のある人には、なじみの深い項目が多いと思います。

低水準ファイル入出力
低水準ファイル入出力は、ＯＳに依存するファイルの入出力を行います。たとえば、ＭＳ－ＤＯＳ用のＣ言語では、INT 21Hでのファイルオープンに近い形でファイルの読み書きを行う事ができます。以下、MS-DOS用のＭＳ－Ｃの例を示します。

低水準入出力では、ＭＳ－ＤＯＳとほぼ同等の入出力が行えるため、たとえばＪＦＧＡＩＪ．ＵＦＯの解読のような、アセンブラレベルで操作していたような処理まで、Ｃ言語で行えるようになります。

Ｃ言語での「終わり」は、main()関数の終わりです。しかし、return命令でmain()関数を途中で終わらせることができます。さらに、途中で強制的にプロンプトに戻すために、exit()という関数が、標準関数に用意されています。exit(0)もしくはexit(1)を指定します。

ただし、コンパイラによっては一概に0が正常1が異常とは限りません。標準関数（stdlib.h）にはEXIT_SUCCESSとEXIT_FAILUREが定義されており、互換性を持たせるためには、正常終了の場合は
exit(EXIT_SUCCESS);
エラーのリカバリーが必要な時は
exit(EXIT_FAILURE);
と書く方が良いでしょう。

C言語は、ソースだけ見るとPerlやPHPに似てますが、大きく違う点はコンパイルとリンクが必要だという事です。つまり、Ｃ言語はコンパイル言語なので、インタプリタ言語とは違いソースをそのまま実行させる事はできません。コンパイルしてオブジェクトという中間ファイルを生成し、それをリンクして実行ファイルにします。

Linuxでは、
cc ソースファイル名
でコンパイルしますが、大きいプログラムを作る場合は１つの大きいソースをコンパイルするのではなく、複数のソースを分割してコンパイルします。これにより、何か不具合があった場合に、不具合のあった箇所のみコンパイルしなおす事ができ、また、不具合の範囲も限定され発見しやすくできます。さらに、分割で作成する事により、複数人による共同作業もしやすくなり、汎用的な関数（ライブラリ）を別のプログラムで流用しやすくなります。

分割コンパイルする場合、ソースから直接実行形式ファイルにはせず、いったんそれぞれのファイルのオブジェクトを生成しておき、最後にオブジェクト同士をリンクして１つの実行形式ファイルを作ります。この場合、
cc -c ソースファイル名 -o オブジェクトファイル名
という風に-cオプションを指定してコンパイルのみを行う指定をします。全てのオブジェクトができあがった後に、
cc オブジェクトファイル名 オブジェクトファイル名 オブジェクトファイル名… -o 実行ファイル名
というようにオブジェクトをリンクして実行ファイルにします。

しかし、複数のファイルをリンクする指示をその都度手動で行うのはいささか面倒です。そこで、コンパイルの指示を行うファイル(Makefile)を作ります。

最初にCFLAGS = でコンパイルオプションを指定する事で、以下のコンパイル全てに適応させる事ができます。

allというラベルを作り、そこで作りたい実行ファイルをスペース区切りで指定します。allというラベルがあると、単にmakeとすれば make all が指定されたのと同じ意味になります。その後に、実行ファイル１というラベル（※実際にはファイル名になります）に続いて、実行ファイル１を作るために必要なファイルを記述し、次の行から先頭をタブで字下げして実行ファイル１を作るための手順を書きます。

このように、何を作るためには何と何が必要という関係（依存性）を記述する事で、必要なファイルが足りない時に足りないものをコンパイルして生成したり、何が足りないのかというエラーを出してコンパイルをやめたり、ファイルのタイムスタンプが新しくなった時に、新しくなったファイルとそれを使っているファイルのみをコンパイルやリンクしなおすようになります。それにより、再コンパイルの時間を大幅に減らす事ができます。

ただし、依存性関係の記述を間違えてしまったり、タイムスタンプは古いけど実は別のバージョンのソースと入れ替えた、という場合には全てをコンパイルしなおしたいと思います。その場合に備えてcleanというラベルに続いて、その時に生成されるオブジェクトや実行ファイルを全て削除する手順を記述しておきます。これで、make cleanとすればオブジェクトと実行ファイルは削除されますので、再度makeとしてコンパイルを全部かけなおす事ができます。

以上が、Ｃ言語の基本中の基本の部分です。まだまだこれだけでは、十分とはいえないのですが、Ｃ言語についてなんとなく理解できたでしょうか。

とにかく、Ｃ言語自体は基本の部分というのは非常に小さいもので、あとはプログラマーやその会社、プロジェクト単位で独自に関数を拡張して使うものです。これをお読みの方も、便利な関数を独自に開発してはいかがでしょうか。