本章では、簡単なプログラムを例として、「とりあえず C++ を使ってみる」ことを第一の目標にする。それから、 Fortran と対応さ せながら関数、制御構造などを見ていく。

 #include <iostream>
 using namespace std;
 int main()
 {
     double a, b, c;
     cin >>a >> b;
     c = a + b ;
     cout << "a+b=" << c << endl;
     return 0;
 }

なお、同じことを Fortran で書くと多分こんな感じである。

      program sample
      real*8 a, b, c
      read(5,*) a, b
      c = a + b
      write(6,*)  'a+b=', c
      end

まず int main() である。これは、「プログラムの始まり」を示すものであるところは Fortran における program sample と変わらないが、細かくいうといろいろ違 う。 Fortran では、 program 文は実はなくてもよくて、プログラム文で始ま る、またはいきなり始まるプログラム単位（とはなに、、、というのは省略） が「メインプログラム」、つまり、プログラムの実行がそこから始まるもので あった。

つまり、 Fortran では、まずメインプログラムがあって、それがサブルーチ ンとか関数を呼び出すという形になっており、メインプログラム、サブルーチ ン、関数のどれであるかで書き方がすこしずつ違っていた。

C/C++ でも同じようにメインプログラムがあって、それがサブルーチンや関数 を呼び出していくわけだが、 Fortran と大きく違うのは「宣言のしかたに区 別がなくてみな関数の形で宣言する」ということである。メインプログラムは 「 main という名前の関数」であり、そういう名前をつけておくとリン カがここから実行を始めるようにしてくれる。逆に、main という名前の関数 がないとリンク時にエラーにになる。

関数とサブルーチンの違いは値を返すかどうかということだけなので、 C/C++ で は値を返さない関数も許すことで統一的な記法を可能にしている。

元に戻ると、 main関数の宣言は

  int main()
  {
      関数の本体
  }

C/C++ で使う基本的な型には以下のようなものがある

  型名   説明          Fortran との対応
  int    整数型        integer
  float  実数型        real (real*4)
  double 倍精度実数型  double precision (real*8)
  char   文字型        character

さて、メインプログラムが値を返しても受けとるところがないと思うかもしれ ないが、これは実は OS （というか、 UNIX/Linux/Windows の通常の環境ではプログラムを起 動したシェル）が受けとる。帰ってきた値によって、プログラムが正常に終了 したかどうかを判断したりするのにつかうわけである。

次に mainは関数の名前で、これはメインプログラムなら main でないといけない。それ以外では好きな名前をつけていいわけだが、 名前はアルファベットまたはアンダースコアで始まり、アルファベット、アン ダースコアまたは数字が続く。 Fortran 77 の規格では名前は 6 文字以下と いう制限があったが、 C/C++ では少なくとも 31 文字までは問題なく使える ことになっている。

その次の () は引数リストを書くためのものだが、今日のメイン関数は引数が ないので中身は空である。そのあとの中括弧 { から } までの間に

• 変数の宣言
• 実行文

なお、 Fortran との違いとして、 改行や行内での位置が意味を持たないとい うことがある。 Fortran だと（少なくとも昔のでは）文は 7 カラム目から 72 カラム目までに書くとか 1-5カラムはコメント記号／文番号であるとか6カ ラム目は継続行マークとかいうのがあったが、 C/C++ ではその辺は全く気に する必要はない。長い式なら適当に改行して構わないし、 72 カラムをはみ出 したものが無視されるとかいうこともない。

そのかわり、変数名、キーワード中に空白をいれたりはできない。例えば Fortran では

      p r o g r a m sam ple
      wr ite(6,*)'Test'
      r e t u r n
      e n d

なお、この「空白が無視される」という Fortran の仕様は割合問題が多いも のである。 DO 10 I = 1.10 が一体なんであると解釈されるか？を考えてみるとちょっ と面白い。

次は double a, b, c; である。これは a, b, c が double型の変数であると宣言している。上に書いたように改行に特別な意味 がないので、宣言の終りをしめすためにセミコロン ``;'' をつける。これは 実行文でも同様である。 Fortran では変数は宣言しなくても使えたが、 C/C++ では必ず宣言しないといけない。これは、タイプミスによって妙なバグ が発生することを防げるので好ましいと思う。

なお、 Fortran でも C で関数やサブルーチンの中の変数宣言は先頭にまとまっ ている必要があったが、 C++ ではそんな必要はなく使うところより前であれ ばどこでも宣言できる。

次にくるのが

  cin >>a >> b;

次の c = a + b ; は最後にセミコロンがつくのを別にすれば Fortran と同じ。式の書き方、使える数学関数などは Fortran とさして変わ りはない。こまかな違いはいろいろあって、例えば

• ベキ乗演算子がない。代わりに関数 pow(x,y) を使う。
• いろいろな数学関数は基本的には double 型である。 Fortran の場合のように使われ方によって型が変わったりしない。
• Fortran にない便利な演算子が沢山ある。例えば
  • += 右の式の値だけ左の変数の値を増やす。 a+= b は a = a + b と同じ。
  • 整数に対して論理演算とビット単位のブール演算をする多数の演算子がある。

さて、出力の

    cout << "a+b=" << c << endl;

最後は return 0; である。これは、この関数が 0 を返して終るとい うことになる。 0 の代わりにint 変数や整数値になる式を書けば、もちろん その値が戻る。

通常の UNIX シェルでは、この値が $status というシェル変数に格納 される。

まず、このプログラムをエディタで作成し、例えば example1.cpp といった名 前でセーブしてみよう。

ここで、いくつかの注意をしておく。

• プログラムはすべて「半角文字」で書かれる。

• プログラムの中の空白、改行には全く意味はない。（ただし、 #include 何とか の後は改行または空白が必要）したがって、全 く改行なしに一行に全部書くとか、空白を全部詰めて行の先頭から書くとかし ても問題はない。ただし、人間が見た時の読みやすさは書き方で違い、上の例 のようなやりかたはそれなりに読みやすいものであろう。
• ファイル名は、 .cpp で終っていないといけない。(.C とか .cxx でも いいかもしれない)そうなってない と、 C++ プログラムが入ったものと認識されない。別の名前でつくってし まったら、名前を付け直すこと。

• emacs の場合、プログラムを書き始めるときに、あらかじめファイル名を指定し ておく（ File ... Open file または Ctrl-x Ctrl-f)と、emacs の方でC++-mode というものになってプログラムを見やすい形にしてくれるので楽である。

1.1.1. プログラムのコンパイルと実行

コンパイルとは、C++ で書いたプログラムを、計算機が実際に実行できる 形に翻訳する作業である。 これには g++ というコマンドを使う。

コンパイルは、シェルウインドウで

  g++ example1.cpp  -o example1

多くの場合、入力したプログラムは実行前に「エラーです」のようなメッセー ジがでて止まってしまう。エラーの場所に応じてエディタでプログラムを修正 し、セーブしたあともう一回 g++ して見よう。

実行は、シェルウインドウで

   ./example1

少しプログラムを修正して、もう少し芸のあるものにしてみよう。

   // program example 2
   #include <iostream>
   using namespace std;
   
   int main()
   {
       double a, b;
       cout <<"Enter numbers a and b:";
       cin >> a >> b ;
       cout << "a+b = " << a+b <<endl;
       cout << "a-b = " << a-b <<endl;
       cout << "a*b = " << a*b <<endl;
       cout << "a/b = " << a/b <<endl;
       return  0;
   }

これは四則演算してみただけである。

数学では「関数」といえば、指数関数とか三角関数のように、変数に対 応して値が決まるものだが、C++言語の場合は必ずしもそうではない。以下 の例で説明しよう。

    // procedure_sample
    #include <iostream>
    using namespace std;
    
    #define PI  3.14159265358979
    
    void print_volume(double radius)
    {
        cout <<"Radius = " << radius << endl;
        cout <<"Volume = " << radius*radius*radius*PI*4.0/3.0<<endl;
    }
    
    int main()
    {
        double x;
        cerr << "Enter radius : ";
        cin >> x;
        print_volume(x);
        return 0;
    }

この「関数」は英語の function の訳語であるが、数学的な「関数」と いうより、機能とか働きとかいった意味合いに近い。ただし、すぐあと で説明するように、値を返す関数というものもあり、こちらは数学的な 意味での関数に少し似ている。

値を返さない関数は、

  void 名前(型 引数1 [,引数2, ...] [, 型[ ... 引数i [,引数i+1,...]])
  {
      [変数宣言]
      実行部
  }

   // bisection
   #include <iostream>
   using namespace std;
   
   double f(double x)
   {
       double y ;
       y = x*x*x - 2;
       return y;
   }
   
   void bisection(double &  xmin,
                  double &  xmax,
                  double eps)
   {
       
       double x, f_min, f_max;
       f_min = f(xmin);
       f_max = f(xmax);
       if (f_min * f_max  > 0.0){
           cout <<"cannot find solution...\n";
       }else{
           while(xmax - xmin > eps){
               x = (xmin + xmax) *0.5;
               if (f(x) * f_min > 0.0 ){
                   xmin = x;
               } else{
                   xmax = x;
               }
               cout << "x= " << x << " f(x)= "<< f(x) <<endl;
           }
       }
   }
   
   int main()
   {
       double x0,x1, eps;
       x0 = 0.0;
       x1 = 2.0;
       eps = 1e-10;
       bisection( x0, x1, eps);
       cout << "Final x = " << x0 << " " << x1 << endl;
       return 0;
   }

  void 名前(引数の宣言);

  型 名前(引数の宣言);

  return 式;

関数では、値を一つしか返せない。したがって、上の例のように、二分 法で方程式を解いて、区間の両端の値を戻したければ、引数の形で返すことに なる。

とはいうものの、最初の例のところで書いたように、C++では普通に宣言 すると関数の引数の値はコピーされる。で、コピーされた方を書き換えても、元の値は 書き換わらない。元の変数の値を書き換えるためには、上の例のように引数の 宣言のところで型と変数名の間に & をつける。

これは、 C の場合とは大きく違うことに（Cを知っている人は）注意。 もちろん、 C と同じように書くこともできる。

C++ の場合、 & をつけた引数は Fortran の場合とおおむね同じよう に使える。

上のプログラムは、２分法で、方程式の（近似的な）解を求 めるものである。方程式は、関数=0 という形になっているものとしよう。

以下、関数 bisection の中身を見ていく。

  if (条件)  文1
  else 文2

  if (条件) 文1

文とは何かをちゃんと説明してなかったが、 C/C++では式にセミコロンをつけ たものが文である。で、式はなにかというと、 代入 a=b+c といったものも 式、関数呼びだし bisection(xmin,xmax,eps) も式、単なる数式 a+b ももちろん式である。

C/C++言語の特徴として、実行されるものはすべて式であり、 (void であると いうことも含めて）値を持つということがある。代入式の値は代入された値そ れ自体なので、例えば a = b = c+d といったもので a と b の両方に 同じ値を代入できる。

条件は、数値同士の比較式（大小、等 しい）と、複数の比較式からできる論理式などが書ける。

具体的には、

  a >  b                 aがbより大きければ真
  a >= b                 aがbより小さくなければ真
  a <  b                 aがbより小さければ真
  a <= b                 aがbより大きくなければ真
  a == b                 aがbと等しければ真
  !条件                  条件が偽なら真（否定）
  (条件1 ) && (条件2)    両方真なら真（論理積、and）
  (条件1 ) || (条件2)    どちらかが真なら真（論理和、or）

ただし、実際に条件に書かれるものは値が整数になる式ならなんでもいい。さ らにおせっかいに、実数型の式でも勝手に整数に変換して評価してくれたりす る。こ のため、条件のところに a = b と書いても文法的には正しいが、大抵 の場合やってほしいこととはかなり違う意味を持つ。なお、処理系によってはこれに 警告を出してくれるものもある。

  while (条件){
      文
      ......
      文
  }

for (変数 = 最初の値; 変数 < 最後の値 + 1; 変数 ++ ) 文

という形に書くのが普通である。

これは、まず変数に最初の値を入れて文を実行し、次に変数を１増やしてまた文を 実行し、以下同様に繰り返して変数が最後の値になったらおしまいにするとい うことになる。このような繰り返し処理をループ処理という。この場合は Fortran の DO ループとほぼ同じ動作になる。

C 以外の多くのプログラム言語では、例えば do i = 1, 10 （Fortran の場合）というように、「変数を1増やしては同じことを繰り返す」 という上に書いた通りのことをするための特別な書き方（構文）があるが、 C/C++ の for を使った構文はもっとフレキシブルなものである。

 for(式1;条件式;式2){ 式3; 式4; ... }というふうに書いてあると、実際に

• まず式1を実行する。
• 次に条件が成り立っているかどうか調べる。成り立っていなければおし まい。
• 次に 式3; 式4; ... を実行する。
• 次に 式2を実行して、2番目（条件式）に戻る。

  int i;
  for(i=0; i<262144; i *= 2){
     cout <<"i = " << i << endl;
  }

なお、ここで、 i++; とか i *= 2; とかいうものが出 て来たが、これは C/C++ 言語に特有の書き方で、基本的には i++ は i = i + 1と 同じ意味だし、 i*= 2 は i = i * 2 と同じである。また、 i -- という表現 も使える。

一般に、あらゆる演算（加減乗除の他に、論理演算なども）について、

  i 演算記号=j
  と書くのは
  i  = i  演算記号 j
  と書くのと同じと思っていい。

1.4. 関数の宣言と「スコープルール」

以下に書くことは、必ずしも本質的ではないが実際にプログラムがどう 動くか、あるいはどうやって書くかを理解するには結構重要なことである。

これまでの例では、

  double f(x)
  {
  ...
  }
  void bisection(...)
  {
     ... = f(...);
  }
  int main()
  {
  ...
     bisection(...);
  }

というのは、使うすべての関数をプログラ ムの中で定義できるわけではないからで ある。このために使っているのが、「プロトタイプ宣言」と呼ばれる機 能である。プロトタイプ宣言は、例えば以下のような形をしている。

 void bisection(double & xmin,
               double &  xmax,
               double eps);

この、プロトタイプ宣言というものは、要するにある関数について、 「それが外からどう見えるか」を規定している。えらそうにいえば「イ ンターフェース」を決めているということもできる。

Fortran77 では、言語仕様の中には特にこのようなチェックについて規定してい るところはないので、引数の型や数が間違っていてもコンパイラはエラーを検 出してくれないことが多い。

また、 C 言語の場合、プロトタイプ宣言が間違っていた時にかならずしもそ れが発見されるとは限らなかった。 C++ の場合には引数が違うものは違う関 数になるので、間違ったプロトタイプ宣言があるとリンク時に失敗するので発 見できる。

これは C++ の重要な機能、「関数のオーバーロード」（多重定義）というも のの結果である。例えば Fortran では、

  subroutine foo(x)
  real x
  ...
  end

  subroutine foo(x)
  integer x
  ...
  end

  void  foo(double x){}

  void  foo(int x){}

もちろん、だからといって必要もないのに同じ名前を使うことは混乱を招くの で避けるべきだし、また引数の型が違うだけで処理の内容が同じならばテンプ レート（多分後で説明する）を使って汎用の関数を作るべきであろう。

プロトタイプ宣言がでてきたついでに、最初にスキップした

  #include <iostream>
  using namespace std;

  // #include <iostream>

 g++ example1-include-commentout.cpp  
 example1-include-commentout.cpp: 関数 ‘int main()’ 内:
 example1-include-commentout.cpp:6:5: エラー: ‘cin’ was not declared in this scope
      cin >>a >> b;
     ^
 example1-include-commentout.cpp:8:5: エラー: ‘cout’ was not declared in this scope
      cout << "a+b=" << c << endl;
      ^
 example1-include-commentout.cpp:8:28: エラー: ‘endl’ was not declared in this scope
      cout << "a+b=" << c << endl;
                            ^

  #include <iostream>

なお、「置き換えた結果」をコンパイラに出力させることもできる。

  g++ -E example1.cpp

なお、あとででてくるが、

  #include "foo.h"

(カレントディレクトリ、相対パス、絶対パスといった言葉の意味がわからない人はちゃんと調べてください)

次に、

  using namespace std;

それを(ある程度避けるのが、この namespace というもので、例えば cin, cout は、 std という「名前空間」の中で定義されている。これはどういうことかというと、 実際には、 cin とか cout とか書いただけではコンパイラはその存在を認識できなくて、 std::cin とか std::cout とか書く必要がある、ということである。

で、それは面倒だとか、 namespace がなかった時代に書かれたプログラムを大きく書換えないですね動かしたい、といった時に使うのがこの using namespace というもので、

  using namespace std;

スコープというのは何かというと、例えば変数であれば、宣言した変数 をどこで使うことができるかということである。宣言の有効範囲という こともできる。例えば

  double f(x)
  {
      double y;
      ...
  }
  int main()
  {
      double y;
      .....
  }

こういうことができるのは、ある関数の中で宣言した変数は、その関数 のなかでだけ有効だからである。その関数以外の関数が、勝手に変数を 書き換えたりはできない。これは、不便なような気がするかもしれない が、大きなプログラムを作るという場合とか、たくさんの人が協力して プログラムを作る時とかには非常に重要な機能である。

ただし、抜け道も準備されている。例えば

  double y;
  double f(x)
  {
      ...
      y = ...
  }
  int main()
  {
      f(x) = ...
      cout << y << endl;
  }

Fortran ではこのようなことを実現するのには COMMON BLOCK を使う必要があっ たが、 C/C++ では手軽に関数間で変数の共有ができる。これは利点でもあり 欠点となることもある。

今日はこれくらい。次回は C++ 文法事項の続き。

今日出たプログラムを実際に書くなり cut & paste するなりして動かしてみ ること。

Previous

ToC

Next