プログラミング言語 I 第 1 回プログラムと C 言語

(1)

プログラミング言語 I 第 1 回プログラムと C 言語

埼玉大学電気電子システム工学科伊藤和人

この講義の目的

ディジタル計算機のプログラミング言語として現在最も広く使用されている C

言語を学ぶ

学習・研究などで、必要なソフトウェアを自分で作成する

様々なデータ構造を知る

プログラム=アルゴリズム+データ構造

用途の広い一般的なアルゴリズムを知る

並べ替え処理(sort)、最短経路問題

講義展開

プログラムとC言語アルゴリズムとプログラムコンピュータ・グラフィックス

1

オブジェクト指向パズル2 パズル1 コンピュータ・グラフィックス2

ソート πの計算

1

πの計算2 期末試験

最短経路問題迷路

1 10 9 2

3 4 5 6 7 8

11 12 13 14 15

中間試験

中間試験解答

成績評価

評価対象

小テスト、レポート(?回)、中間試験、期末試験

評価方法

小テスト: 10%、レポート: 20%、

中間試験: 30% 、期末試験: 40%

総合評価点は100点満点

評価基準

優: GP 3.0以上

良: GP 2.0以上3.0未満

可: GP 1.0以上2.0未満

不可: GP 1.0未満出席回数が

2/3

未満は「欠」

その他

担当

伊藤和人

(

電気電子システム工学科棟

2

階

211

号室

)

TEL: 048-858-3731

Email: [email protected]

講義資料

講義で使用するスライドをホームページに掲載

必要ならばダウンロードして講義に持参

オフィスアワー

質問は講義時間中にいつでも受け付け

木曜日昼休み

時間がかかる場合は別途時間を予約

http://www.elc.ees.saitama-u.ac.jp/ProgrammingI/

プログラムとは

「プログラム」と聞いて何を思う？

運動会のプログラム

発表会のプログラム

「プログラム」とは

(1)

物事の予定。番組。

(2)映画・演劇・コンサートなど各種の催しの、

番組・組み合わせ・順序・筋などを書いたもの。

　　　物事の進め方、手順を書き表したもの

計算機に行わせたいことの手順を表したもの

(3)コンピューターに、情報処理を行うための動作手順

を指定するもの。また、それを作成すること。

　　　　　　三省堂提供「大辞林第二版」より

JABEE認定教育プログラム

(2)

プログラムの表し方

計算機に行って欲しいことをどうやって計算機に伝えるか

例: 「πを10万桁の精度で計算しなさい」

今のところまだ計算機は日本語 ( 自然言語 ) によるプログラムは理解できない

最近のロボットの「会話」とは違うので注意

人間が努力して、計算機が理解できる言葉でプログラムを表現する必要あり

そのための言語

プログラミング言語

プログラミング言語のレベル

人間の努力の程度によって 3 つのレベルのプログラミング言語あり

機械語(マシン語)

アセンブリ言語

高級プログラミング言語

機械語

計算機の母国語

ディジタル計算機が直接理解する0,1のビットパターンによって処理を表す

例: 0000 0100 0000 0001 　　　レジスタALに1を加算する

例: 0011 1100 0000 0001 レジスタALの値と1を比較する

個々の処理単位を命令(Instruction)という Pentiumの例

計算機の種類によって異なる

アセンブリ言語

機械語命令に人間が分かりやすい単語(ニモニック ) を割り当て

例: ADD AL, 1・・・レジスタALに1を加算(add)

0000 0100 0000 0001 (機械語)

例: CMP AL, 1・・・レジスタALの値と1を比較

(compare) 0011 1100 0000 0001 (機械語)

機械語とアセンブリ言語は1対1に対応

変換ツール「アセンブラ」によってアセンブリ言語プログラムを機械語プログラムに変換

Z80用機械語

PowerPC用機械語

機械語、アセンブリ言語の問題 1

プロセッサ種類ごとに異なった言語

Pentium Pentium用機械語

アセンブリ言語アセンブリ言語

SPARC用機械語

互換性なし

H8

H8用機械語

互換性なし

Z80

SPARC

PowerPC

機械語、アセンブリ言語の問題 2

計算機 ( プロセッサ ) が行う個々の処理は極めて単純 ( 加算、減算、比較、コピー ,...) 　　ちょっとした処理でも多くの命令が必要

もっと簡単で、人間が分かりやすいプログラミング言語が必要

pushl %ebp movl %esp,%ebp subl $24,%esp movl $0,-4(%ebp) movl $1,-8(%ebp) movl -8(%ebp),%eax addl %eax,-4(%ebp)

x

←

0 y

←

1 x

←

x+y

左のプログラムの意味

高級プログラミング言語

アセンブリ言語プログラム

(3)

高級プログラミング言語

プログラムを表記する上で、人間にとって分かりやすい言語

自然言語 ( 日本語、英語、 ...) ではない

自然言語は「曖昧さ」が避けられず、厳密にプログラムを表すには不適当

大規模で、複雑なプログラムを開発可能

計算機が普及し、身近になった要因

int x,y;

x = 0;

y = 1;

x = x+y;

x

←

0 y

←

1 x

←

x+y

左のプログラムの意味高級言語プログラム

ニュアンス、行間

高級プログラミング言語の例 1

FORTRAN (1957 年 )

最初の高級プログラミング言語

FORmula TRANslatorの略

名前が表すように科学技術計算を得意とする

実数演算、複素数演算が可能

ALGOL (1958 年～ 1962 年 )

ALGOrithmic Language

科学技術計算用のプログラミング言語

以降の高級プログラミング言語に多大な影響を与えた

高級プログラミング言語の例2

COBOL (1960年)

COmmon Business Oriented Language

10進演算の際に誤差がでないように計算

LISP (1962 年 )

LISt Processor

関数型プログラミング言語

関数の再帰的定義が可能

記号処理分野で利用される

高級プログラミング言語の例3

BASIC (1960年台)

教育用のプログラミング言語

科学技術計算もこなす

1980年代にパソコンに搭載されて普及した

Pascal (1971 年 )

プログラミング教育用に開発された高級言語

完全な構造化プログラミングが可能

サブルーチンの再帰的呼び出しが可能

高級プログラミング言語の例 4

Prolog (1972 年 )

Programming in Logic

プログラムを規則によって表し、推論を行って結果を得る

エキスパートシステムなどで利用

Smalltalk (1970 年代 )

オブジェクト指向プログラミング言語

言語定義とプログラム開発環境が一体化

開発環境は後のウィンドウ型GUIに影響

高級プログラミング言語の例 5

C 言語 (1972 年 )

オペレーティングシステムUNIXを記述するために開発した高級プログラミング言語

B言語を元に開発

Dennis M. Ritchie、Brian W. Kernighanが

「プログラミング言語C」を出版

K&R仕様C言語として普及(1978年)

ANSI(アメリカ規格協会)が標準化し、

ANSI-C規格を制定(1989年)

オブジェクト指向の考えを取り入れたC++、

Objective-Cなどが派生している

(4)

高級プログラミング言語の例 6

Perl (1987 年 )

Practical Extraction and Report Language

連想配列が使用でき、文字データ処理が得意

UNIXとともに普及

JAVA (1995 年 )

C++言語に極めて似た文法

ネットワーク経由のプログラム配布・実行を考慮してセキュリティ面で安全対策が施されている

プロセッサの種類によらず共通に実行可能

i-APPLI

高級プログラミング言語のまとめ

FORTRAN 1957

手続き型

ALGOL 1960

手続き型

オブジェクト指向型手続き型

LISP 1962

関数型

BASIC 196x

COBOL 1960

Pascal 1971

Prolog 1972

Smalltalk 197x

C 1972

手続き型手続き型

手続き型

オブジェクト指向型

JAVA 1995

Perl 1987

手続き型

C言語プログラムの例1

二次方程式を解く

変数の宣言 a = 1.6;

b = 5.0;

c = 2.1

root = sqrt(b*b-4*a*c);

bunbo = 2*a;

answerP = (-b+root)/bunbo;

answerN = (-b-root)/bunbo;

double

root, bunbo;

double

a, b, c;

double

answerP, answerN;

計算と変数へ代入

a ac b x b

2

− 4

±

= −

2

+ bx + c = 0 ax

*: かけ算

sqrt: 平方根の

計算

C言語プログラムの例2

階乗計算プログラム

#include <stdio.h>

int factorial( int n ) {

if( n == 0 ) return 1;

**return n*factorial(n-1);**

}

int

**main( int argc, char *argv[] ) { int n;**

n = atoi( argv[1] );

printf( "%d

の階乗は

%d

です。

¥n", n, factorial(n) );

}

階乗を定義どおりに記述

高級言語プログラムの実行

プロセッサが直接実行できるのは機械語

高級言語から機械語への翻訳が必要

翻訳の方法に 3 種類

コンパイル型

インタプリタ型

バイト・コンパイル型

まず、翻訳に必要な処理を考える

高級言語プログラムの翻訳手順

字句解析

定数、変数、予約語、演算子などを識別

構文解析

処理内容を理解する

機械語プログラムへ変換

処理内容を実現するように機械語命令を組み合わせる(コード生成という)

(日本語で単語に分けることに相当)

(主語、述語、形容詞などを認識して意味を

　理解することに相当)

(5)

高級言語プログラムの翻訳方式 ₁

コンパイル型

字句解析、構文解析、コード生成を一括して行い、高級言語プログラムを完全に機械語プログラムへ変換してしまう

(本の翻訳に相当)

翻訳を行うための専用のプログラムが存在

変換に時間がかかる

変換後の機械語プログラム実行は高速

コンパイル済みのプログラムは単独で実行可

(プログラム実行にはコンパイラは不要)

コンパイラ

高級言語プログラムの翻訳方式 ₂

インタプリタ型

プログラム実行に従って、次に実行すべき部分を毎回字句解析、構文解析、コード生成する

(通訳に相当)

プログラムをすぐに実行可能

字句解析、構文解析が必要なため実行は低速

プログラム実行には高級言語プログラム本体とインタプリタ・プログラムが常にセットで必要

最近は計算機が十分高速になり、インタプリタ型はバイト・コンパイル型に置き換えが進んでいる

高級言語プログラムの翻訳方式 3

バイト・コンパイル型

字句解析、構文解析はプログラム実行開始時に一括して処理

処理内容を中間言語(バイト・コード)に変換

バイト・コードはプロセッサ種類に非依存

バイト・コードを解釈して実行するためのプログラムをプロセッサ種類ごとに用意すればよい

プログラム実行には、高級言語プログラムとバイト・コード・インタプリタがセットで必要

コンパイル型とインタプリタ型の中間の実行速度ここまでの処理をバイト・コンパイルという

高級言語翻訳方式のまとめ

FORTRAN C

コンパイル型

BASIC

インタプリタ型

(あるC処理系) JAVA

Perl

バイト・コンパイル型

Pascal

(.NET)

スクリプト型

C 言語の特徴

高級プログラミング言語

コンパイル型

プログラムの実行速度を重視

機械語を意識した処理記述

もともとはUNIX OSの記述用に開発された

文字処理の実行効率向上を重視

プロセッサの機械語を活用できる記述が可能

コンパイルと実行

Hello worldプログラム

ソースファイルとして‘hello.c’に保存

ソースファイルをコンパイル

コンパイル結果(実行バイナリ)を実行

#include <stdio.h>

int main() {

printf( “Hello, world!¥n” );

}

D:¥work> cl hello.c

D:¥work> hello

Hello, world!

(6)

C 言語プログラムのコンパイル

ソースプリプロセスプリプロセス

コード生成コード生成

アセンブリアセンブル

アセンブルライブラリ

hello.c

hello.asm

オブジェクト

hello.obj

libc.libなど

リンクリンク実行バイナリ

hello.exe

テキスト・エディタなどで作成

字句解析・構文解析・コード生成

プログラミング言語 I 第 1 回 プログラムと C 言語