Ｃ言語プログラミングの基礎訓練
版
西井 淳
Table of Contents
1 プログラム作成上の注意点
-
文字列の読み込みの時、関数 scanf()やfscanf(),gets()は使わない。
理由は以下の通り。
-
文字列の読み込み時に最大文字数を指定できないので危険なバグが生
じることがある。例えば以下のような例で，20文字以上の文字列を入
力すると異常終了をしたり，場合によっては重大なセキュリティホー
ルとなりうる。
char buf[20];
scanf("%s",buf);
- 各行毎に処理を行ったほうが，入力にトラブルがあった時に対処し
やすい。(scanf, fscanf は改行を無視して読み込みを行う)
かわりに，文字列データの読み込みはfgets, sscanf を用いることが多い。
fgets, sscanf についての仕様は man を参照すること。
以下は標準入力(stdin)から整数と文字列を読みこむ例。
#define MAXLEN 128
int i;
char buf[MAXLEN],name[MAXLEN];
fgets(buf,MAXLEN,stdin)
sscanf(buf,"%d %s",&i,name);
- 必要なパラメータはコマンドの引数として渡すこと(以下参照)
例)
$ ./command 0.01 10 2000
main関数の宣言は以下のようになる。
int main( int argc, char *argv[] )
- main 文だけのプログラムは，よほど短いもので無い限り不可。
一つの関数単位は1画面程度の大きさを上限にするのが望ましい。
- Makefile を作成し，make コマンドでコンパイルすること。
Makefile の作り方については付録A8Makefileについて<A NAME="sec:makefile"></A>section.A参照。
- プログラム実行時に，引数等の不具合で異常終了することが無
いように十分注意すること。
- 言語はC++でもよい。(この場合ファイル入出力の命令は，練習問題中の指
定とは異なるC++のストリーム入出力の命令を用いてよい)
2 準備運動
2.1 math.h
円周率や自然定数等の多くの定数は math.h にマクロ定義されている。どのよ
うなマクロ名で定義されているか確認せよ。他にどのような定数が準備されてい
るかも確認せよ。
定数はプリプロセッサ(付録??参照)を使って
#define MAX 10
と定義する方法と、constを使って、
const int MAX=10;
と定義する方法がある。
#defineはプログラムのコンパイル前に単なる文字列置換として実行され、
constを用いて宣言した変数はプログラムの実行時にメモリ領域が確保
される。
このような特徴のため，それぞれ長所と短所がある。
-
以下のプログラムについて、どのような問題があるか述べ、修正方法を2
通り(
#defineを使う方法とconstを使う方法)を述べよ。
(コンパイラによってはいずれも問題無く動く場合があるが、#defineと
constの本来の動作を考えて問題点を述べること。)
#include <stdio.h>
#define MIN -2
int main(void)
{
printf("%d",3/MIN);
}
- 以下のプログラムについて、どのような問題があるか述べ、
#defineを使って修正せよ。
配列の大きさはコンパイル時に決まっていないといけないことに注意せよ。
#include <stdio.h>
const int MAX=3;
int main(void)
{
int a[MAX],i;
for(i=0;i<MAX;i++)a[i]=0.0;
}
2.3 main関数への引数の処理
- プログラムに与えた引数の数と，引数を表示するプログラムshowargを作
りなさい。 実行結果の例は以下の通り。
$ ./showarg a b c
4
./showarg a b c
- 2つの実数の和を計算するコマンドsumを次の2種類の方法でつくりなさい。
-
2つの実数を引数として与える(
$ ./sum 1 2 と実行すれば 答え
が3 が表示されるようなプログラム)。引数が2個与えられないときには，
以下のようなメッセージを出して終了すること。
$ ./sum 1
Usage: sum <num1> <num2>
注）main関数への引数は全て文字列として受け取られる。文字列を
doubleに変換するには
関数 atof() を用いる。
- 2つの実数はプログラム中から fgets, sscanf を用いて標準入力
(stdin)から実行時に読み込む。
2.4 doubleとfloatの演算
-
double x=0.0に0.1を10回足した値は1.0にならない．
いったいどの程度その値は違うのだろう？
またその理由はなにか？
- 前問で double のかわりに float を用いた場合について，同様のこと
を議論せよ．
- 以下のプログラムを作ったところ暴走してしまった．なぜか理由を述べよ．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
double x=0.0;
while(1) {
x+=0.1;
if(x==1.0) break; }
return(0);
}
x=1.0を0.1倍してから10.0倍するという演算を何度か繰り返す
場合に付いて，xが double の場合と float の場合でどのくらい演
算時間の差があるかを調べよ。プログラムの実行時間はtimeコマンドで計測
できる($ time <コマンド名>)。
結果は処理系によって違うが，doubleとfloatの演算にかかる時間は同じに
なる処理系も多い。また、floatは精度が非常に悪いため、メモリ量が少な
いとき以外にはfloatはほとんど使われない。
2.5 動的なメモリ確保
-
引数で整数nが与えられたとき，calloc を用いて配列
int a[n]を確保し，全てのi<nについて a[i]=i を代入した後，
a[]の内容を表示するコマンドarrayをつくれ。
なお，この節でのプログラムでは以下に気を付けること。
-
メモリ確保に失敗したときには，エラー出力を行って終了すること
- 必ず確保したメモリーは必ずプログラム終了時までに開放すること。
- 引数で整数nが与えられたとき，２次元配列
int a[n][n]を確保し，その配列
を単位行列として、 配列aの内容を表示するコマンドarray2をつくれ。
3 ファイル入出力と分割コンパイル
-
以下の関数群をつくり，
mylib.cという名前で保存しなさい。
-
引数としてうけとったファイル名の関数を読み込みモードで開いて，そ
のファイルへのファイルポインタを返す関数
fRopen。
ただし，ファイルを開くのに
失敗したときには、「Failed to open ◯◯」(◯◯には引数
で与えたファイル名が入る)と標準エラー出力に出力してプログラムを終了する。
FILE* fRopen(char* fname)
- 引数としてうけとったファイル名の関数を書き込みモードで開いて，そ
のファイルへのファイルポインタを返す関数
fWopen。
ただし，ファイルを開くのに失敗したときには、「Failed to open ◯◯」
と標準エラー出力に出力してプログラムを終了する。
FILE* fWopen(char* fname)
mylib.cの中の関数のプロトタイプ宣言(関数原型宣言)のみを記
載したファイルmylib.hをつくりなさい。
- 指定したファイルの中身を，他のファイルに出力するコマンドcopy
をつくりなさい。すなわち，
$ ./mycopy copy.c copy2.c
を実行すれば，copy.c の中身がそのまま copy2.c にコピーされるプログラム
である。結果はdiffコマンドを用いて正確にコピーできてるかを確認せよ。
ただし，以下の仕様を満たすこと。
-
-h オプションを付けて実行すれば以下のように Usage が表示して終了する。
$ ./mycopy -h
Usage: mycopy [option] <file 1> <file 2>
option:
-h) Show this message
-n) with line number
- 引数が足りなかったり，多すぎる時には，
-h オプションの場合と同
様のメッセージを表示する。
- 引数に
-n オプションが指定されたときには各行に行番号をつける。
- すでに作った
mylib.cにあるファイルを開く関数を利用し、分
割コンパイルを行うこと。
mycopy.cを改造して，マクロ変数COPYを定義しているときには
(付録??参照)これまで通りコピーコマンドになり，
定義してないときには読み込んだファイルを画面に表示するコマンドになるよ
うにしなさい。
すなわち，COPYを定義しないときの仕様は以下のとおり。
-
以下のように実行すれば指定したファイルの中身が表示される。
$ ./mycopy copy.c
- その他オプション等は本来のコピーコマンドの仕様と同じ。
(ヒント：出力ファイルポインタを、COPYを定義した場合には指定したファ
イルに、定義していないときには標準出力に設定する)
- コンパイル時にgccのオプションに
-D<マクロ名>を追加すると、
プログラム中に指定したマクロ定義を行ったのと同じ意味になる。例えば、
プログラム中で#define COPYとするかわりに、コンパイル時に
gcc -DCOPY ...とすることができる。
このことを利用して、make mycopyとすれば、mycopy.cから
mycopyをコンパイル、make mycatとすればさきほどの画面表
示をするバージョンをコンパイルしてmycatという名前の実行形式を
作るようにMakefileを修正しなさい。
4 数値計算
-
x2+y2� 1とy� 0で囲まれる領域の面積がp/2であることを用い，
数値計算で積分計算を行ってpを求めなさい。
4.2 乱数とデータ処理
-
０以上１以下の乱数を2回発生した時にその2乗和が1以下になる確率は
p/4である。
このことを利用して，円周率pの近似値を求めるプログラムをつくりな
さい。乱数を発生する回数はプログラムの引数(main関数の引数)で指定すること。
- 引数で与えた回数だけ0以上1以下の一様乱数を発生し、結果を各行に
表示するプログラム
genrandをつくりなさい。
また，100回乱数を発生させた結果をリダイレクト(UNIX関連のドキュメン
ト参照)を用いて保存しなさい。
- 数値データをファイルから読み込み，以下を行うプログラムgetdistをつくれ。
また、その動作を前問で作成した乱数ファイルを用いて確認しなさい。
-
オプションなしの時はデータの平均，標準偏差，最小値，最大値を表示
-s オプションでデータをソートした結果を出力
-g オプションでデータのヒストグラムを出力(設定した刻み
幅で, 度数頻度を'*'を使って表示する)。例えば設定した刻みを0.1にし
た場合には
--------------------
0-0.1: **
0.1-0.2: ****
0.2-0.3: ***
(以下略)
--------------------
といった表示を行えるようにする。
-hオプションもしくは、オプションが不適切なときには，使
い方(Usage)を表示
-
関数fRopenをパイプ(付録C11パイプ<A NAME="sec:pipe"></A>section.C)に対応できるように
した関数fRPopenを作り,
mylib.c, mylib.hに追加しなさい。
- パイプを用いてデータファイルを受け取れるように，前問で作成した
getdistを改良しなさい。その動作は以下を試して確認しなさい。
$ genrand 100 | getdist <オプション>
$ getdist <オプション> <ファイル名>
-
微分方程式x=xについて以下を行いなさい。
-
微分方程式の解を（解析的に）求めよ。
その解の挙動のグラフを書き，そのようなグラフの得られる理由について
考察せよ。
- 微分方程式の解(x(t))を求めるプログラムを作成し，それをもとに
自然定数eを求めよ。
- 以下の微分方程式について各演習を行いなさい。
|
|
|
|
�
� |
|
�
� |
=
|
�
� |
|
�
� |
|
�
� |
|
�
� |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-
微分方程式の解を（解析的に）求めよ。
その解の挙動のグラフを書き，そのようなグラフの得られる理由について考察せよ。
- 微分方程式の解((x(t),y(t))を求め，結果をグラフ表示するプログラムを作成せよ。
結果のグラフ表示の方法は別途説明する。
A Makefileについて
プログラムをコンパイルする手続き等をMakefileに書いておくとコンパイル
が楽になる。
以下は一番簡単なサンプル。
arg: arg.c # arg を arg.c から作ることを宣言
gcc -o arg arg.c # 具体的な作り方(行頭はスペースでは無くてタブ)
mycat: mycat.c # mycat を mycat.c から作ることを宣言
gcc -o mycat mycat.c # 具体的な作り方
Makefile中の各行において、記号#より後ろはコメントとみなされる。
上記のような記述をしたMakefileをつくっておき，
$ make arg
を実行すると，以下の場合に２行目のコマンドが実行されて，arg コマンドが新
しくつくられる。
-
コマンド arg が現在のディレクトリに存在しない
- 現在のディレクトリにあるコマンドarg が arg.c よりも古い
たくさんプログラムを書くときには，ずらずらこのような記述をMakefileに並
べておけばよい。Makefile 中で，変数の定義もできる。
変数の値にアクセスするときには、変数名の頭に記号$をつける。
GCC = gcc #変数GCCに値gccを代入
CFLAGS=-Wall #変数CFLAGSに値-Wallを代入
Loadlibs=-lm #ライブラリ関数が必要ないときは右辺にはなにも書かなくてよい
main: main.o mycat.o # main は main.o と mycat.o から作る
${GCC} ${CFLAGS} -o $@ main.o mycat.o ${Loadlibs}
arg: arg.o # arg は arg.o から作る
${GCC} ${CFLAGS} -o $@ $@.o ${Loadlibs}
main.o: mycat.h main.c
${GCC} ${CFLAGS} -c -o $@ main.c
mycat.o: mycat.c
${GCC} ${CFLAGS} -c -o $@ mycat.c
clean:
rm -f *~ *.o
最初の3行はコンパイラをあらわす変数GCC, コンパイラに与えるオプション
CFLAGS, リンクするライブラリLoadlibsの設定。
各行以降の ${GCC}, ${CFLAGS}, ${Loadlibs}は，
ここで設定された値に置換される。5,6 行目の
main: main.o mycat.o
${GCC} ${CFLAGS} -o $@ main.o mycat.o ${Loadlibs}
で，$@ は，前の行の`:` で区切られた左の文字(この場合はmain)をさす変数。
make mainを実行すると，Makefile 中の記述のうち，
main に関する文より下の部分の記述から main.o と mycat.o
の作り方が参照され，それが自動的に実行される。
main.o に関する該当箇所を見ると，main.o は，mycat.h, main.c に依存してい
ることがわかる。よって，main.o が無い場合や，mycat.h もしくは main.c が
main.o より新しい場合には，新しく main.o が作られる。
また，上記 Makefile の例の clean という項目設定によって，
$ make clean
を実行すると，オブジェクトファイル(*.o)や，バックアップファイル
*~ が消去される。
このように，Makefileは単にプログラムのコンパイルだけでなく，
ファイルの消去，コピーその他，さまざまに使うことができる。
先の例は以下のように書き直すことができる。
たくさんのプログラムのためのMakefileを書くときにはこちらのほうが楽。
GCC = gcc
CFLAGS=-Wall
Loadlibs=
main: main.o mycat.o
${GCC} ${CFLAGS} -o $@ main.o mycat.o ${Loadlibs}
arg: arg.o
${GCC} ${CFLAGS} -o $@ $@.o ${Loadlibs}
main.o: mycat.h main.c
.c.o :
${GCC} ${CFLAGS} -c -o $@ $<
clean:
rm -f *~ *.o
.c.oと書いたエントリーは*.cから*.oを作る一般的な
作り方であることを示す。
例えば mycat.o はmycat.cから作られるが、その作り方は.c.oが参照
されて以下のように解釈される。
mycat.o : mycat.c
${GCC} ${CFLAGS} -c -o $@ $<
ここで$@ は一行目の : の左の mycat.o に，$< は : の右の
mycat.cに置換され，mycat.o をつくる処理が実行される。
main.oはmycat.h と main.cに依存することが記載されているが、その作成方
法は具体的に書かれてないので.c.oが参照される。
B プリプロセッサ
プリプロセッサとは、C言語等のプログラムのコンパイル前に前処理を行うた
めの簡易なプログラム言語である。
#define マクロ名 置換文字列
#defineを用いて、文字列の置換を行うことができる。
#define MAX 100
と書けば、この行より下のMAXという文字列は、コンパイル前に
100に置き換えられる。
以下は例。
#define MAX 10
int main(void)
{
int i;
char buf[MAX];
for (i=0;i<MAX;i++) buf[i]=0;
}
B.2 マクロ関数定義
マクロ定義を使って関数等の定義もできる。
-
引数xの二乗を計算するマクロ定義例
#define sqr(x) ((x)*(x))
()がなぜ必要かは各自考えよ。
- 2つの文字の大きい方を返すマクロ関数定義例
#define maxof(x,y) ((x>y)?x:y)
- 与えた回数ループをするマクロ関数定義例
#define loop(n) for(i=0;i<n;++i)
ただし、あらかじめ int i;が宣言されていることが必要。C++なら変
数の局所定義もOKなので、以下のようにも出来る。
#define loop(n) for(int i=0;i<n;++i)
- 先の例で、ループの変数名も与えるようにした例
#define loop(i,n) for(i=0;i<n;++i)
マクロ関数定義では、引数の型を意識しなくていいので便利。
#ifdef マクロ名
...
#elif
...
#endif
#ifdefを用いて、コンパイルする場所の切替えを行うことができる。
以下の例では、マクロ変数DEBUGを定義しているときには、"デバッグ中"と表
示される。
#define DEBUG
int main(void)
{
#ifdef DEBUG
printf("デバッグ中);
#endif
}
このようにすればデバッグ中にいろんな情報を表示することもでき
る。また、よく似た、でも少し違うコマンドを作りたいときにも便利。
条件分岐に用いられるマクロ変数には、上記の例のように置換文字列を与えて
なくてもよい。
あるマクロ文字が定義されてない場合にのみコンパイルしたい部分
は#ifndefを使う。
#ifndef マクロ名
... //指定したマクロが定義されていないときにコンパイルされる部分
#endif
さらにマクロ変数の値に応じた分岐も可能である。
#if マクロ名==値1
...
#elif マクロ名==値2
...
#else
...
#endif
C パイプ
UNIX上で，あるファイル(例えばdata.txt)の中身をlessで見たければ，
$ less data.txt
とすればよい．less はC言語で書かれているUNIXコマンドである．
上の例のように引数としてファイル名を渡すなら，main関数の引数を用いれば
よい．
同様の機能を実行するには，パイプ(「UNIXの基本操作」参照)を用いて，
$ cat data.txt |less
とすることもできる．
cat コマンドは data.txt を標準出力に表示するコマンドである．
上の例では，この標準出力への出力を
less が受け取って処理している．
もう少し正確に言うと，パイプはcatからの標準出力を less コマンドに対す
る標準入力に切替えている．
この場合lessは標準入力からdata.txtの中身を読み込んでいることになる．
というわけで，パイプ出力を受け取ることができるプログラムをC言語で作る
には次のようにすればよい．
....
int main(int argc, char **argv)
{
char *filename; /* NULL ならファイル指定なしとします */
FILE *fp;
filename=argv[1]; /* 2つめの引数がファイル名のとき */
....
if ( filename == NULL ) { /* ファイル指定なし */
fp = stdin;
} else { /* ファイル指定あり */
fp = fopen( filename, "r" );
if ( fp == NULL ) {
fprintf( stderr, "'%s'が読み込めません.\n", filename );
exit(1); /* 異常終了 */
}
}
....
}
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-
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