計算機実習 I

第四回 (2015 年 4 月 30 日)

標準入出力

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2015/CP1/lecture4.html

Martin J. Dürst

© 2005-15 Martin J. Dürst 青山学院大学

今日の予定

• ミニテスト
• 前回の演習問題
  • 麺棒プログラムと DRY 原則
• 文字列の表現
• 入出力の関数
• バッファ・オーバーフロー
• 標準入出力
• テストの役割

ミニテスト

• 授業開始までにログイン済み
• 授業開始まで教科書、資料、筆箱、財布などを鞄に入れ、鞄を椅子の下に
• テスト終了後その場で待つ

C 言語の最初の本

• The C Programming Language, Brian W. Kernighan and Dennis M. Ritchie, 1978
• 略称: K&R
• コンパクトで概念中心の名作
• 組版に C 言語で書かれた Unix のツールを使用
• "hello world" の原点
• 多くの (自然) 言語に翻訳
  
• 今は早いが、夏休みに復習として読むとよい

前回の演習結果

前回の演習について

• Program Checking System で入力がわからないとき、Q&A フォーラムで質問
• Q&A フォーラムの命題の選び方
  • 悪い例: 「課題の提出」、「チェッキングシステムのエラー」
  • 良い例: 「03C3 の check number 15 の入力」
• 一問一答 (Q&A フォーラムは LINE などではない)
• 困ったときには距離をとるのが大事

前回の演習 03C1

(学生番号の解析)

麺棒プログラム

• コピー・ペーストでどんどん長くなったプログラム
• 麺棒で生地を薄くすると類似
• 一般の言葉では (まだ?) ない

問題点:

• 見渡しにくい
• 確認しにくい
• 変更しにくい
• 効率が悪い
• 気持ち悪い・悪臭 ((bad) code smell)

DRY

DRY 原則

• Don't Repeat Yourself
• 同じことを繰り返すな!
• よいプログラム・プログラマーの大原則
• 情報テクノロジーの大原則
• (数学的) 概念: 独立性 (independence)、直交性 (orthogonality)、直積 (Cartesian product)、抽象化 (abstraction)
• プログラム概念: 繰り返し (repetition)、関数 (function) など

直積の具体例

• すべての組み合わせの合計は 27 個
• 学科と年度を独立すると 11 個 (200x と 20xx の区別は不要)
• 独立されたものが修正しやすい

文字列の表現

• C 言語では文字列 (string) は char 型の配列 (byte array)
• char 型は文字としても小さい数字としても解釈可能
• 文字列の終わりは '\0' (ナル文字)
• 実例:
  char str[] = "Aoyama\n";
  

  	str[0]	str[1]	str[2]	str[3]	str[4]	str[5]	str[6]	str[7]
  文字	'A'	'o'	'y'	'a'	'm'	'a'	'\n'	'\0'
  数字 (10進数)	65	111	121	97	109	97	10	0
  数字 (16進数)	0x41	0x6F	0x79	0x61	0x6D	0x61	0x0A	0x00

入出力の主な関数

(main input/output functions)

関数の学習

• 優先度
  1. 関数の存在
  2. 大体の機能や用途
  3. 名前
  4. 詳細な仕様 (戻り値を含む)
• 情報の入手方法
  • man コマンド
  • マニュアル・本
  • インターネット

入出力関数の戻り値

• getchar: 文字 (の番号) 又は EOF (end of file, ファイルの終わり)
• putchar: 出力した文字またはエラーの場合 EOF
• fgets: バッファ又は何も読んでない場合、NULL
• puts: 負でない整数または EOF
• scanf: 読み込みに成功した変数の数または EOF
• printf: 出力した文字の数

入力の定石

• プログラムにはよく出てくるパターン (定石) が存在
• これはプログラム言語の「言い回し」(idiom, pattern)
• 文法の勉強だけではなく、定石の勉強も大事
• ただ使うだけではなく、理解するのが大事

具体例:

while ((c = getchar()) != EOF) { ... }

バッファ・オーバーフロー

(buffer overflow)

C 言語のメモリの扱い:

• あるプログラムに与えられたメモリは勝手に使ってよい (プログラマの責任)
• 他のプログラムが使用するメモリは使用不可能 (Segmentation Fault などのエラー)
  例: int array[10]; array[20] = 100;
• プログラム内はプログラマの責任で対応可能
• 入力 (特に一行入力) の場合は予想が不可能
• 不注意は多くのバグ (bug) と脆弱性 (vulnerability) の原因

gets の問題点

• 多くの教科書・参考書ではまだ使用中
• 入力の長さは予想不可能
• バッファの長さが足りないと他の変数などが勝手に書き換えられる
• 本実習で禁止
• C99 の標準で非推奨、C11 で標準から除去

(演習問題 04B2 参照)

scanf の要点

例: scanf ("%lf", &doubleVar);

場合によって printf と少し書き方が違う。

%s は gets と同様に大問題 (演習問題 04A2 参照)

標準入出力

• 入力一つ、出力一つのプログラムが非常に多い
• これらは「標準入力」(standard input, stdin) と「標準出力」(standard output, stdout) と呼ばれる
• C のプログラムではこれらは常に準備されている
• 標準入力はどこから、標準出力はどこへかはプログラムではなく、環境で決定
• 環境は普通標準入力がキーボードから、標準出力は画面へと設定
• ファイルとデバイス (キーボード、画面) を同等に扱う考え方は Unix で生まれた

リダイレクトとパイプ

• リダイレクト (redirect) によって、標準入出力の「交通整理」が可能
• 入力のリダイレクト (ファイルからの入力)
  例: $ ./prog1 <inputfile.txt
• 出力のリダイレクト (ファイルへの出力)
  例: $ ./prog1 >outputfile.txt
• 入力と出力のリダイレクトの組み合わせ
  例: $ ./prog1 <inputfile.txt >outputfile.txt
• あるプログラムの出力と次のプログラムの入力の接続 (パイプ、pipe)
  例: $ prog1 | prog2

標準入出力の応用

• キーボード入力の手間の省略
• 出力の保存、分析
• ファイルの簡単な処理
• 複数の簡単なプログラムの組み合わせによる強力な処理
• プログラムのテスト

標準入出力によるプログラムのテスト

• 入力の例のファイル (例えば 04A1in.txt) を用意
• 期待される出力のファイル (04A1check.txt) を用意
• プログラムをリダイレクトで実行、出力を別のファイル (04A1out.txt) に保存
  $ gcc 04A1.c && ./a <04A1in.txt >04A1out.txt
• 実際の出力と期待された出力を比較 (diff コマンドで)
  $ diff 04A1out.txt 04A1check.txt
  (出力が二つのファイルの差分なので、出力がなかったら成功)
• コンパイル・実行・比較を一行で総括
  $ gcc 04A1.c && ./a <04A1in.txt | diff - 04A1check.txt
  (出力がない場合、テストが成功)

テストの役割

• こまめでスムーズな開発
• ユーサとの対話の一つの手段
• 仕様書への第一歩
• バグの早期発見
• regression test (退行テスト、回帰テスト、再帰テスト) に最適
  (プログラムの一部の変更により、他の部分に影響がないことの確認)

今週の演習問題

04A1: 一文字の入力と出力 ('\'' は \ の文字列ではなく、' 一文字 (\ でエスケープ))

04A2: 文字の番号の調査

04A3: 大文字と小文字の入れ替え

04B1: 様々な型の入出力 (教科書 pp. 385-387 参照)

04B2: バグの入ったプログラムの分析と修正 (今日必ず先生に提出)

04C1 (部分点): ヒント: 入力の一文字ずつ枝分かれを使うか、小さいバッファーに一文字ずらしながら読み込むなど
挑戦 (部分点) は必須、完成は発展問題

次回の準備

• 宿題として残りの演習課題の完成・提出
• 今日の復習
• 教科書の第 8 章 (関数、pp. 179-203) と第 9 章 (復習: 配列) を読む