Cプログラミング入門第１回三輪忍

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

この授業のねらい

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

授業の進め方（普通の情報科の場合）

『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

授業の進め方（うちの場合）

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

この演習の進め方

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）

スケジュール

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

レポートに関して

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

レポート課題

100

100

100

125

125 125

50

5075

75

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

注意事項

288

149

都市 1

まだ訪問していない都市の中で最も近いものを選択

最近近傍法

100

100

100

125

125 125

50

5075

75

スタート

コンピュータ概論

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？？？

コンピュータに対する理解

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

システムとしてのコンピュータ

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

コンピュータの構成

CPU

Memory

C = A + B A BC = A + B A B

CC

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

プログラミング

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

高級言語とコンパイラ

機械語高級言語コンパイル

web を参照◦ http://www.hal.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/~miwa/exp-C.html

コンパイルの手順

C言語の文法の基礎

プログラムの基本構造 データと演算制御の流れ

内容

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

仕事の例

数日仕事

数分仕事

1,500 人目

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)

ソーティング・アルゴリズム

75 点 95 点 63 点 70 点 82 点75 点 95 点 63 点 70 点95 点63 点 95 点63 点 70 点 95 点82 点70 点

１回目２回目

75 点 63 点63 点 75 点 75 点63 点 70 点

swap swap swap

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] );}

関数文

ヘッダ

ファイル median.c の内容

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

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

特殊な関数

#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] );}

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）

文

#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・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

ヘッダ

#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] );}

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] );}

関数文

ヘッダ

ファイル median.c の内容

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

処理の方向

プログラムの終了

バブル・ソート

中央値を出力

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

データと演算

データ 演算

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？

データの種類とデータ型

tmp

63

75

95

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 ）

データ型の種類

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 /定義と使用

#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] );}

関数の冒頭で宣言 /定義

宣言（定義は別のファイル）

使用

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

派生型

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」

演算

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] );}

ファイル median.c の内容

#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

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

データ交換

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 () ”

制御の流れソース・コード

分岐◦ if 文◦ switch 文

ループ◦ for 文◦ while 文

サブルーチン

流れを変えるもの

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

　

分岐

◦ switch 文：　条件の値により変更

if ( A ) { B;} else { C;}

switch ( x ) { case 0: A; break; case 1: B; break;}

x が 0 の場合

x が 1 の場合

A が真の場合

A が偽の場合

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] );}

ファイル median.c の内容

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

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

ループ

for ( A ; B ; C ) {　　 D;}

while ( B ) { D;}

制御変数の初期化

条件式制御変数の更新

条件式

B

D

B

D

A

B

D

C

B

D

C

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] );}

ファイル median.c の内容

i を初期化

i が 2999 に達するまで繰り返す

i をインクリメント

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

サブルーチンと関数

printf ( “median = %d\n”, data [1500] );

void printf ( char* s, … ) {

}

第１引数返り値の型

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

C文法のまとめ

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

参考書

おまけ

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）

この演習の例年の評判

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？

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

対応策

１行が都市間の移動１回を表す

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