C language Sem 01
- 1. C/C++ ゼミ (1) プログラムの原理、C言語の原理 2008.4.12
- 2. agenda プログラムの原理 プログラムとは 抽象化 コンピュータ・アーキテクチャ コンパイラ C 言語の基礎知識 歴史的な話 本題 変数 関数 Hello World!
- 3. プログラムの原理
- 4. プログラムとは プログラムへの命令 手間がかかってめんどい作業を、コンピュータにやらせて楽をする html や tex はプログラムではない
- 6. 0と1 コンピュータは 0 と 1 しか理解できない コンピュータへの命令も0と1だけで書く必要がある ……0010011101010001…… さすがに理解不能
- 7. マシン語 0と1の命令を、ちょっとだけ読みやすくした 論理的意味ごとに区切ってある 16進数に変換してある場合も 10110000 01100001 00110000… まだきつい
- 8. アセンブリ言語 数字を言葉におきかえた 10110000 01100001 MOV AL, 61 CPUによって命令の名前が変わっちゃう
- 9. 高級言語 Fortran , Pascal , C とかが登場 アセンブリ言語よりわかりやすい 書き方もCPUに依存しなくなった そのかわり、実行時間は遅くなった MOV AL, 61 a = 61
- 11. プログラム言語はさらに進化 オブジェクト指向 C++ Java LL (lightweight language) Perl PHP Ruby Phyton javascript
- 13. 言語の水準 開発（プログラムを書く）のは楽ではやい できたプログラムの実行速度はおそい スピードが求められる場面では、低水準言語をつかう 低水準 = 使えない、古い ではない !
- 14. なんでこんなにたくさん言語が？ 最終的には0と1 どの言語を使っても、同じプログラムは書ける チューリング完全 というらしい… ただ、それぞれ得意分野がある それぞれやりたいことに適した言語を選ぶのが大事
- 15. 抽象化
- 16. 抽象化とは 必要なものだけを集める いらないものを省く (イメージしやすいよう名付ける) 01->マシン語->アセンブラ->高水準言語 これも抽象化
- 17. 抽象化とは 人は、ある一定以上複雑なことについて、考えられない 抽象化して、ものごとを わかりやすく 、無駄なことを 考えなくてすむ ようにする 抽象化で複雑さに対抗！ コンピュータなんて抽象化でできてるようなもん
- 18. たとえば “a = 6”は、アセンブリ言語であらわすと数行になる 必要な処理をまとめている 現実世界にある”=“を使っているから、処理をイメージしやすい MOV AL, 61 a = 61
- 19. データと手続き プログラムは データ と 手続き ( 制御 ) でできている プログラム データを入力 加工 出力
- 20. 構造化プログラミング アセンブラから高水準言語になったけど、やっぱりまだむずかしい… 手続きを抽象化しよう！ 順番に実行する 条件によって分岐する 何度も繰り返す サブルーチン
- 21. 順番に実行する(順次) 処理 1 処理 2 処理 3
- 22. 条件によって分岐する(分岐) 条件 処理 1 処理 2
- 23. 何度も繰り返す(反復) 条件 処理 1 処理 2
- 25. サブルーチン 関数(Cとか)、プロシジャともいう いくつかの処理をひとまとめにし、 ブラックボックス化 したもの 中身はさっきの3つ(順次・分岐・反復)で書く サブルーチン 入力 加工 出力
- 26. サブルーチンのいいところ ブラックボックスなので、 中身を気にせず 使い方だけ知っておけばよい 本来の作業に集中できる 再利用 できる ( ライブラリ ) 誰か ( 世界中 !) が作ったのを、流用できる 変更があったとき、そのサブルーチンの中身だけを直せばよい 他のルーチンには影響しない 処理を イメージ しやすい
- 27. 構造化プログラミング 大小のサブルーチンで構成 メインルーチンがサブルーチンを呼び出しながら処理を進める サブルーチンの中身は順次・分岐・反復で書く
- 28. 構造化プログラミング メインルーチン サブルーチン サブルーチン サブルーチン サブルーチン サブルーチン 入力 出力
- 29. データ抽象 手続きは抽象化できたけど、データはまだ複雑… データに手続きをくっつける データがこういう場合はこう加工する 手元に来るのは、適切に加工されたデータ オブジェクト指向
- 30. 気をつけること 抽象化の度合いと、プログラムの実行時間はトレードオフ 適切なレベルのツールを選ぶ必要がある 抽象度高 抽象度低 らくちん はやい 0 と 1 の世界 マシン語とか 低水準 高水準 超高水準 超高水準
- 31. 気をつけること サブルーチンはブラックボックス でも、 中のアルゴリズムがどういう仕組みか は、知っておくべき ここがよく分かってないと… 効率の悪いプログラムになってしまう うまくいかなかったとき、どこが悪いのかわからない
- 32. コンピュータ・アーキテクチャ
- 33. コンピュータの構成 CPU ハード ディスク メモリ 入力インタフェース 出力インタフェース マウス、キーボード、カメラ ディスプレイ、プリンタ、スピーカ
- 34. CPU 計算・加工 するところ 実際に計算する部分 処理の順番を決める部分 命令を解釈する部分 データを置いておく部分 外部とデータを受け渡しする部分 データは レジスタ に入れておく
- 35. レジスタ データを置いておくところ 読み込み、書き込みが超速い ひとつのCPUに、いくつかついていて、それぞれ名前もある
- 37. メモリとアドレス レジスタに入りきらないデータは メモリ においておく 必要になったらレジスタに入れて計算する メモリには アドレス がある アドレス 0001 0002 0003 … メモリ データ データ データ …
- 38. ハードディスク レジスタやメモリは、電源を切ると終わる 長くデータを保存しとく時は、ハードディスクをつかう アクセス時間は超遅い
- 39. プログラムとメモリ プログラムは普段HDにある 実行するとき、メモリに移される 必要なときにレジスタにデータを移して計算 CPU ハード ディスク メモリ レジスタ 遅い 超遅い 速い
- 40. コンパイラ
- 41. コンパイラ ソースコードを、コンピュータでも理解できる 0 と 1 に翻訳してくれるソフト 文を解析 間違いをチェック 最適化 実行可能オブジェクト (.exe とか ) を生成 コンパイラ コンパイル ソース コード 実行可能 オブジェクト
- 42. インタプリタ 命令を受け取って、逐次実行していく インタプリタ 命令 実行 命令 実行
- 43. スクリプト 一文ずつ入力するのはめんどいから列挙する-> スクリプト インタプリタはスクリプトを上から順番に読んで実行していく スクリプトは台本という意味
- 44. コンパイラとインタプリタ コンパイラ 最終的に完結した一つのファイルを作る できたファイルの実行速度は速い コンパイルには時間がかかる インタプリタ スクリプト単体では動かない 手軽 でかいスクリプトになると遅い
- 45. とりあえずコンパイルしてみる hello.c “ hello world” と出すプログラム a.out ができるので、実行する $ gcc hello.c $ a.out
- 47. のぞいてみる $ gcc hello.c –S $ gedit hello.s
- 48. リンク ソースコードをコンパイルすると、 オブジェクトファイル ができる いくつかのオブジェクトファイルをつなげて( リンク )、最終的にひとつの実行可能オブジェクトができる ライブラリを使ったら、ライブラリともリンクさせる
- 49. ソースコード オブジェクト ライブラリ 実行可能 オブジェクト コンパイル リンク
- 51. リンクしてみる hello21.cとhello22.c $ gcc hello21.c –c hello21.o $ gcc hello22.c –c hello22.o $ gcc hello21.o hello22.o –o hello2 $ hello2 hello21.c のオブジェクトファイルを作る hello22.c のオブジェクトファイルを作る hello21.o と hello22.o をリンクして、実行可能オブジェクト hello2 を作る hello2 を実行する
- 52. バイナリ 実行可能オブジェクトは、0と1の集まりになっている バイナリデータ という バイナリ：2進数 画像とかもバイナリ形式
- 53. バイナリファイルの中を見てみる 警告は無視しよう $ gedit hello2
- 54. C 言語の基礎知識
- 55. C言語(歴史的な話) リッチーとカーニハンが開発（AT&T ベル研) 仕様がシンプル コンパイラ
- 56. CとC++とJava C++はCに機能を追加したもの JavaはC++を結構参考にしている C やっとけばオッケー
- 57. 抽象度の水準 抽象度の水準がちょうど良いと言われている 実行スピードと開発効率 抽象度が低いので、かなり勉強になる(ポインタとか) C やっとけばオッケー
- 58. ANSI C 89年に、Cが標準化された ANSI Cとよばれる 今のコンパイラはほぼ全部これに従っている ANSI C やっとけばオッケー
- 59. 本題
- 60. Cのプログラムの構成 関数 と 文 と 変数 関数 サブルーチン 関数は 1 つ以上の文から成る 関数は 1 つ以上の文から成る 色んな処理を書いたもの “ ;” で終わる 変数 データをいれるところ 実際にはメモリ
- 61. 変数
- 62. 変数 実際には メモリ メモリ上のどこかに、データを置く領域を確保している 抽象化されているので、プログラマは実際にはメモリのどこにデータがあるかとかを気にしなくて良い 好きな名前 を付けられる データ型 がある
- 63. データ型 整数、少数、文字、ポインタ そのデータが何なのか、プログラマが知る手がかりとなる コンパイラが、間違いを検出できる(文字を足し算したとか)
- 64. 宣言 変数を使う前に、宣言をする必要がある 宣言した段階で、メモリ上に領域を確保する 宣言されてない変数が出てくると、コンパイラはメモリのどこを見ればいいのかわからないので、エラーを出す 変数のスペルミスを防ぐ役割にもなってる
- 65. コード /* 変数の宣言 */ int a; double b; a = 10; b = 1.5;
- 66. メモリのイメージ アドレス 0001 0002 0003 … メモリ 10 ?? 1.5 … a b
- 67. 関数
- 68. 関数 いわゆるサブルーチン
- 69. 関数を呼び出す printf : 関数名 () の中 : 関数へ渡すデータ ( 引数 ) 引数が沢山ある場合は、” ,” で区切って列挙する printf(“hello world!!”); 関数名 ( 引数リスト );
- 70. 関数からの出力がある場合 出力は”=“で変数に代入する 関数からの出力を 返り値 という result = pow( 5, 2);
- 71. 関数を自作 int square ( int n ) { int result; result = n*n; return result; } 返り値の型 関数名 ( 引数リスト ){ 中身 }
- 72. 関数を宣言する 自作関数は、プログラムの冒頭で宣言する必要がある プロトタイプ宣言 プロトタイプ宣言がないと、コンパイラはその関数がどこに書いてあるかがわからない
- 73. プロトタイプ宣言 int square( int n ); int main(void) { ... val = square( 5 ); ... } int square( int n ) { ... }
- 74. void 引数や返り値がない関数もある 宣言と本体を書く際”void”といれる int foo(void); void woo( int n ){ ... }
- 75. printf の宣言や本体はどこにある？ プロトタイプ宣言は ヘッダファイル (stdio.h) に書かれている 本体は ライブラリ という別ファイルに書かれている #include <stdio.h> … Int main(void) { … … int printf(...); … … int printf(...) { … } … stdio.h 自作ファイル ライブラリ
- 76. Hello World!
- 77. Hello World! 入力してコンパイル、 #include <stdio.h> int main(void) { printf(“hello world!\n”); return 0; }
- 78. #include ヘッダファイルを読み込むための、特別な命令 頭に # がつく命令は、文末に” ;” がいらない ( プリプロセッサ・ディレクティブ ) stdio.h には、 printf のプロトタイプ宣言が入っている
- 79. 標準ライブラリ C に最初からついてくるライブラリ 便利な関数がいっぱい stdio.h stdlib.h math.h string.h ...
- 80. main メインは特別な関数 必ず最初に実行される ここから色んな関数を呼び出す
- 81. printf 標準出力に文字を出す関数 標準出力は、デフォルトではターミナル(設定で変えられる) 文字か文字列を与えてあげる 文字列は”で囲む
- 82. \nと文字 エスケープシーケンス 普通ではあらわしづらい文字(改行やタブやバックスペースなど)を表現する \nは改行 \tはタブ
- 83. 今後の予定
- 84. 予定！ データ型、演算子、式 制御の流れ 関数 ポインタと配列(2,3回) 構造体 C++へ