コンピュータによる情報処理においては，四則演算や比較などの「データ処理法」と，条件分岐・繰り返し・関数などの制御構文にくわえて，
コンピュータ上で「データをどのように表現するか」の設計が重要となる．
これらは，それぞれ「アルゴリズム」と「データ構造」と呼ばれ，よいプログラムを書くためには双方を熟知している必要がある．
工学で用いる実用的なプログラムでは，数MB〜数GB以上の大量のデータを扱うことが多い．
例えば，高速度カメラによる動画像処理では，1000x1000pixel, 1000fps(毎秒1000枚の画像取得)のデータ取得があり，これは1秒あたり1GBのデータを扱うこととなる．
このような大量のデータをメモリ上に保存し，計算処理に用いるためには，通常の単純変数では不可能である．
ここで一例として，キーボードから入力した 10 個の実数の平均と標準偏差を求めるプログラムを考えてみよう．
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main(void)
{
// 10 個の float 型変数
float a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8, a9;
// KBD 入力させる
printf("a0 = "); scanf("%f", &a0);
printf("a1 = "); scanf("%f", &a1);
printf("a2 = "); scanf("%f", &a2);
printf("a3 = "); scanf("%f", &a3);
printf("a4 = "); scanf("%f", &a4);
printf("a5 = "); scanf("%f", &a5);
printf("a6 = "); scanf("%f", &a6);
printf("a7 = "); scanf("%f", &a7);
printf("a8 = "); scanf("%f", &a8);
printf("a9 = "); scanf("%f", &a9);
// 平均(average, mean)の計算
float ave = 0.0;
ave = ( a0 + a1 + a2 + a3 + a4 + a5 + a6 + a7 + a8 + a9 ) / 10.0;
// 分散(variance)の計算
float var;
var = (a0-ave)*(a0-ave) + (a1-ave)*(a1-ave) + (a2-ave)*(a2-ave) // 長いので途中で改行
+ (a3-ave)*(a3-ave) + (a4-ave)*(a4-ave) + (a5-ave)*(a5-ave)
+ (a6-ave)*(a6-ave) + (a7-ave)*(a7-ave) + (a8-ave)*(a8-ave) + (a9-ave)*(a9-ave);
var /= 10;
// 標準偏差(standard deviation)の計算
float stdev = sqrt(var);
// 結果の表示
printf("average = %f, standard deviation = %f \n", ave, stdev);
return 0;
}
このプログラムで正しい計算を行うことができる．
しかしよく見ると，このプログラムでは
printf, scanf
など，似たような同種の処理が繰り返されている．
このような場合は，for, while などの「繰り返し文」を使いたいところだが，
変数名が a0, a1, ... , a9 と，それぞれ異なるため，繰り返し処理でうまく扱うことはできない．
さらに問題は，処理するデータ件数が10件ではなく5件，20件，100件と変化した時に，ソースコードを大幅に変更しなければならない．
これは煩雑になるだけでなく，記述ミスによるバグの温床になる．
そこで，複数の変数をまとめて 単一の識別子（＝名前）で扱う方法が用意されている．
この機能のことを，「配列, array（アレイ）」と呼ぶ．
配列変数を使用したい場合は，プログラム中において以下の様に記述する．
型名 配列名[個数];
例えば，整数型で，要素数10個の配列は
int a[10];
実数型で，要素数100個の配列は
float data[100];
とする．
配列変数の定義：
int, float など)．const指定した変数．(例外あり)
配列変数をプログラム中で参照したり，値を代入するには，以下のように記述する．
基本的には普通の変数と同じである．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int a[100]; // 整数配列
a[0] = 100; // 代入
a[1] = 200; // 代入
a[2] = 300; // 代入
printf("a[0] = %d, a[1] = %d, a[2] = %d \n", a[0], a[1], a[2]); // 参照する例
float b[1000]; // 実数配列
b[0] = 0.01; // 代入
b[1] = 0.2; // 代入
b[2] = -9.99; // 代入
printf("b[0] = %f, b[1] = %f, b[2] = %f \n", b[0], b[1], b[2]); // 参照する例
double data[200]; // 実数配列
char string[100]; // 文字配列（文字列）
return 0;
}
要するに，「配列名」+「添字」で，一つの変数だとみなせば良い．
const指定について
基本的には，配列の要素数は，変数として用意しておく．
以下の様に，変数 N は定数でなければならないが，最近の C99 規格に準拠したコンパイラでは，この制限が緩和されている．
ただし，コンパイル時に別途，オプションが必要な場合がある．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
// 古いコンパイラでは，
// const int N=100;
// としないとエラー．
int N = 100;
int aaa[N];
return 0;
}
10人分のテストの点数を格納する整数型の配列．
おすすめ：配列の要素数(ここでは10という定数)は，プログラム中の様々な場所で何度も使用するので，
以下のように定数変数（const 変数）として定義しておくと良い．
const int N = 10; // N は配列の要素数． const は「定数」という意味
int score[N]; // 配列の定義
この場合，1個あたり 4 byteの int 型変数が 10個，計 40 byte の領域がメモリ上に確保される．
この配列を使って，何か処理をしてみよう．
score[0] = 100; // 配列の 先頭に 100 を代入
score[1] = 50; // 配列の 2番目に 50 を代入
.
.
.
score[9] = 90; // 配列の 終端に 90 を代入
for(int i=0; i<N; i++) { // i<10; ではなく i<N; と書くのがベター
printf(" %d 番目のデータは，%d です．\n", i, score[i]); // 全員の点数を画面に表示
}
Cの文法規則では，配列の要素番号は0から始まるので，配列の最後の要素は，score[10]ではなく，score[9] である．
したがって，要素数10の配列要素を先頭から順にアクセスするための繰り返し文は，for(i=0; i<10; i++)となる．
この場合，iは10になってはいけない．
同様に 100 個の配列の最後の添字は 99 である．
一般に，要素数 N の配列要素の最後の添字は N-1 である．この値を超えてはならない．
以下のソースコードは，初めに示した平均と標準偏差を計算するプログラムを，配列を用いて書き直したバージョンである．
どの箇所が異なるか，比較してみよう．
#include <stdio.h>
#include <math.h> // sqrt()用
int main(void)
{
const int N = 10; // const とは，値を変更できない変数であるという指示
// ここでは，データの個数を表すために使用
float a[N]; // 配列の定義．N個のfloat型変数を記憶する場所が確保される
int i; // 繰り返し処理用のカウンタ変数
for(i=0; i<N; i++) { // N 回繰り返す
printf("a[%d] = ", i);
scanf("%f", &a[i]);
}
// 平均の計算
float ave = 0.0;
for(i=0; i<N; i++) {
ave += a[i];
}
ave /= N;
// 分散の計算
float var = 0.0;
for(i=0; i<N; i++) {
var += (a[i] - ave) * (a[i] - ave);
}
var /= N;
// 標準偏差の計算
float stdev = sqrt(var);
// 結果の表示
printf("average = %f, standard deviation = %f \n", ave, stdev);
return 0;
}
N の値を変更してみよう．例えば，3, 5 や，20,100 などとして，うまく処理できるか確認してみよう．
配列では数多くのデータを扱うことが多いので，その値を代入・設定する方法に工夫が必要である．
（実習課題で，以下のように複数のデータを入力させる問題がある場合は，この方法でおこなう．）
実行例：
Input 5 integers.
1 2 3 4 6 <-この行をキーボード等から入力
1 2 3 4 6 <-この行が出力される
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int i;
const int N = 5;
int a[N];
printf("Input %d integers.\n", N);
scanf("%d %d %d %d %d", &a[0], &a[1], &a[2], &a[3], &a[4]);
// 配列を表示して確認
for(i=0; i<N; i++) {
printf("%d ", a[i]);
}
return 0;
}
通常は様々な配列サイズに対応できるよう，繰り返し文を使用する．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int i;
const int N = 5;
int a[N];
for(i=0; i<N; i++) {
printf("a[%d]=? ", i);
scanf("%d", &a[i]);
}
// 配列を表示して確認
for(i=0; i<N; i++) {
printf("%d ", a[i]);
}
return 0;
}
実行例１：1行にスペース区切りで入力
1 2 3 4 6 <-この行をキーボード等から入力
1 2 3 4 6 <-この行が出力される
実行例２：1行に1個数値を入力
1 <-この行から
2
3
4
6 <-この行までをキーボード入力，毎回Enterキーを押す
1 2 3 4 6 <-この行が出力される
毎回数値を手入力するのは面倒なので，数値データなどを別ファイルなどに記録しておき，そこから「リダイレクト」と呼ばれる方法でデータをプログラム内の配列に流し込む方法もある．
以下の例では，あらかじめ in.txt というテキストファイルを作成しておき，ファイル内に書かれたデータを一度に配列に入力させることができる．
1 2 3 4 6
実行方法（リダイレクト入力） .\a.exe < in.txt 1 2 3 4 6 <-実行結果
C言語では，処理効率を優先するため，配列の添字範囲が
したがって，配列の添字が有効範囲を超えてもコンパイラはエラーを出さない．
さらに悪いことに，実行時にエラーとなることもあればエラーとならないこともある．また，一見うまく動作しているように見えても，偶発的にソフトウエアが落ちることがある．
以下のプログラムを実行して，動作を確認せよ．
配列要素を超えるとどうなるか，実行してみよう．for文中の 定数 1000 を 10000 や 100000に変更してみよう．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
const int N = 10;
int x[N]; // 要素数 N 個の配列
int i; // カウンタ変数
for(i=0; i<1000; i++) { // 添え字の範囲は 0 から N-1（ここでは9） まで許されるが．．．
x[i] = i*i;
printf("x[%d] = %d \n", i, x[i]);
}
return 0;
}
【ヒント】繰り返し文などの終了判定に，直接「定数」を置くのが間違いのもと！
配列は，一つ一つの変数のリストにすぎず，配列の名称は，配列の先頭アドレス（＝メモリー中の場所のこと）を示すラベルにすぎない．
C言語では，配列全体を一度にコピーする演算子が無いため，1つ1つ代入する必要がある．
配列全体の正しいコピー方法
const int N = 10;
int a[N], b[N]; // 配列が二つあるとする．
// a の中身を順に b にコピー
int i;
for(i=0; i<N; i++) {
b[i] = a[i]; // 各要素を 1 個づつ代入
}
以下は，全て誤った配列のコピー方法．
正しくないばかりか，プログラムが不正終了する場合がある．
b = a; // ダメな例．
b[9] = a[9]; // 最後の要素一つがコピーされるだけ．
b[10] = a[10]; // そもそも [10] というのがアクセス違反
C言語の規格では，配列は（通常の変数と同様）定義しただけでは中身は「不定」と定義されている．
即ち，どのような値が入っているか規格上は決められていない．
したがって，使用方法によっては，あらかじめ 0 などの初期値を代入する必要がある．
以下は，実数型配列の中身を全てゼロに設定する例である．
// clear array : 配列のゼロクリア
const int N = ???; // N は要素数．いくつでも良い．
float array[N]; // 配列本体
int i;
for(i=0; i<N; i++) {
array[i] = 0.0; // ひとつずつ0を代入
}
配列中にゼロ以外の値を設定するためには，基本的には1つ1つの要素に値を代入する．
int array[5]; // 要素数5の配列変数の定義
array[0] = 1; // 1個ずつ代入
array[1] = 2;
array[2] = 3;
array[3] = 4;
array[4] = 5;
しかし，配列の「定義」と同時に値を設定する場合には，以下のような初期化リストを使った「配列の初期化」を行うことができる．
// これはOK．代入ではなく初期化という．
int array[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
さらに，初期化リストより配列の要素数が確定しているので，[ ] の中の要素数を省略できる．
// この場合は，配列サイズ省略OK
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
この場合，配列のサイズはコンパイラが自動的に決定してくれる．
しかし，配列の要素数はそのあとの処理で必要になるので，一般的には省略しないほうが良い．
ここまでの「=」記号は，「配列の初期化」であり，（記号は同じであるが）代入ではない．
従って，以下のコード中の = はすべて代入とみなされるので，いずれもコンパイルエラーとなる．
int array1[5]; // 配列の定義
array1 = { 1, 2, 3, 4, 5 }; // これはエラー！
array1[] = { 1, 2, 3, 4, 5 }; // これもエラー
array1[0] = { 1, 2, 3, 4, 5 }; // もちろんこれもエラー
Cでは，1次元の配列だけではなく，2次元の配列を作ることもできる．
例えば，3x4の2次元配列を作るには，
int a[3][4]; // 2次元配列の定義
a[0][0] = 10; // 代入例
a[1][2] = 5;
とする．
この時の配列の形は，概念的には以下のようになる．
代数でいうところの行列によく似ている．
最初の[]が行を，後の[]が列を表している．
実際のコンピュータのメモリは1次元なので，あくまで概念的に2次元と考えられる，と理解すると良い．
（内部で2次元→1次元の添字の変換計算が自動的に行われる．）
２次元配列の場合も以下のとおり「定義と初期化」が可能である．
const int M = 4;
const int N = 3;
int array2D [M][N] = {{ 1, 2, 3}, // <- これで1行分
{ 4, 5, 6},
{ 7, 8, 9},
{10, 11, 12} };
ただし，要素数の省略は，最初の[]のみ，書かなくても許される．
const int M = 4;
const int N = 3;
int array2D [ ][N] = {{ 1, 2, 3},
{ 4, 5, 6},
{ 7, 8, 9},
{10, 11, 12} };
1次元配列と同様，2次元配列にデータを格納するには以下のように2重ループを用いる． 添字の順序に注意して記述する．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
const int M = 4;
const int N = 3;
int a[M][N];
int i,j;
for(i=0; i<M; i++) {
for(j=0; j<N; j++) {
scanf("%d", &a[i][j]); // a[i][j] で，1つの変数と見れば良い．
}
}
// 配列を表示して確認
for(i=0; i<M; i++) {
for(j=0; j<N; j++) {
printf("%d ", a[i][j]);
}
printf("\n"); // 1行分表示したら改行
}
return 0;
}
実行例１
1 2 3 <- この行から
4 5 6
7 8 9
10 20 30 <- この行までをキーボード入力，1行入力するごとにEnterキー
1 2 3 <- 出力
4 5 6
7 8 9
10 20 30
実行例２：行-列の順に，1行にまとめて入力
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 <- 1行で入力
1 2 3 <- 出力
4 5 6
7 8 9
10 20 30
配列を引数にとる関数の作り方・使い方は，非常に重要．
関数の引数として配列を渡す場合，配列本体とあわせて，要素数を一緒に渡すのが基本である．
（∵C言語では，配列は自動的に「アドレス渡し」となる仕様で，呼び出された関数には配列の「先頭の場所」しか渡されないため，合わせて配列サイズがわからないと終端が判別できない．）
具体的には，関数の引数に配列を渡す場合は，以下のように記述する．
// 数値の配列を関数に渡す方法
#include <stdio.h>
// 関数で配列を受け取る方法．
// ここで n は配列の要素数
// 配列本体と要素数を引数に取ることにより，どんな要素数の配列にも対応できる．
void disp_array(int data[], int n ) // [] のみでOK．
{
int i;
for(i=0; i<n; i++) {
printf("data[%d] = %d \n", i, data[i] );
}
}
int main(void)
{
const int N = 5; // 配列の要素数
int a[N] = {2, 5, 13, 14, 15}; // 配列
disp_array( a, N ); // 関数呼び出し，配列を渡す
return 0;
}
別の方法として，配列の要素数をグローバル変数として準備しておく方法もある．
ただし，配列の種類や個数が増えてくると，どの変数がどの配列の個数かわかりにくくなるので，いろいろなサイズの配列がある場合は望ましくない．
// 配列を関数に渡す方法．その２
#include <stdio.h>
const int N = 5; // 配列の要素数をグローバル変数として定義
// 配列のみ渡す
void disp_array(int data[])
{
int i;
for(i=0; i<N; i++) {
printf("data[%d] = %d \n", i, data[i] );
}
}
int main(void)
{
int a[N] = {2, 5, 13, 14, 15}; // 数値の配列
disp_array( a ); // 関数呼び出し
return 0;
}
注意：C言語の仕様では，関数に渡す配列は「アドレス渡し」となり，呼び出した関数内で配列の内容を変更すると，呼び出し元の配列の内容も変更される！
constをつければOKです．void disp_array(const int data[], int N)
以下の問それぞれに対応するプログラムを作成しなさい．
キーボードから整数を10個入力して配列に順次格納し，正順および逆順で画面に表示せよ．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
const int N = 10; // 配列の要素数
int array[N]; // 整数 N 個分の配列
// データ入力
for(...) {
// printf(...); // 必要に応じて
scanf(...);
}
// 配列データを正順に出力
// 配列データを逆順に出力
return 0;
}
実行例：
1 0 6 2 5 3 7 9 8 4 <- キーボードから入力 またはファイルからリダイレクト
1 0 6 2 5 3 7 9 8 4 <- 正順で出力
4 8 9 7 3 5 2 6 0 1 <- 逆順で出力
キーボードから実数を10個入力し配列に格納し，平均値を指定の桁数で画面に表示せよ．
可能であれば，配列の合計値（または平均値）を計算する部分は，関数にしてみよう．
ヒント：合計値を記憶しておく変数を別途用意し，0で初期化しておき，そこに足してゆく．
#include <stdio.h>
int main(void)
{
const int N = 10; // 配列の要素数
double data[N]; // 実数 N 個分の配列
// データ入力
for(...) {
// printf(...); // 必要に応じて
scanf("%lf", &...); // double には %lf
}
// 合計値の計算
double sum = 0.0;
for(...)
...
// 結果の出力
printf(" ??? ", .... );
return 0;
}
実行例：（結果の数値は正しいとは限らない）
1 2 5 3 10 9 0.9 1.1 2.2 0.1 <- キーボードから入力 またはファイルからリダイレクト
5.320 <- 小数点以下3桁で出力
0から100までの整数値をランダムに10個生成して配列に格納，そのなかから最大値を探し，値を画面に表示せよ．
注１：ランダムな整数値（乱数と呼ぶ）の生成には，ライブラリ関数であるrand()を用いる．参考までに，以下の関数 gen_rand()を用いてよい．
注２：渡された配列内の値の最大値を探索し返す関数を作成する．暫定1位を記憶しておく変数maxを用意する．
#include <stdio.h>
#include <time.h> // time()用
#include <stdlib.h> // rand() 用
//
// 0～100 の乱数を生成して配列に代入する関数
//
void set_rand(int a[], int n) // a はアドレス渡し，nは配列サイズ
{
srand(time(NULL)); // 乱数を初期化
for(int i=0; i<n; i++) {
a[i] = rand()%101; // rand()は呼ばれるたびに整数の乱数を返す．
// printf("%d ", a[i]); // 確認用
}
// printf("\n"); // 確認用
return;
}
//
// 配列の中から最大値を見つけて，その値を返す関数
//
int find_max(...)
{
int max; // ここに最大値を格納して返す．
// 最大値を探す処理
????
return max;
}
int main(void)
{
const int N = 10;
int a[N]; // 整数 N 個分の配列
// データ入力
set_rand(a,N);
// 結果の出力
printf("max = ...", find_max(???) );
return 0;
}
実行例：（乱数の値は毎回異なる．）
55 82 57 62 4 81 19 49 0 26 <- 確認の為の表示
max = 82
配列の数値データを降順（大きい順）に並べ替えて，前後の値を画面に表示せよ．
このような処理を「ソーティング」という．
基本的に二重のループ処理となる．
配列のソーティング部分については関数にしてみよう．
#include <stdio.h>
void sort_array(...)
{
...
}
int main(void)
{
// 配列サイズや値を変更しても正しく動作すること！
const int N = 5;
int a[N] = {3, 2, 5, 4, 1};
// 最初の配列データの出力
printf("Before :");
for(...) {
printf(" ...", ???);
}
// 並べ替え．まずはここでテストして，関数呼び出しに変更する．
for(...) {
for(...) {
...
}
}
// sort_array(...);
// 結果の出力
printf("After :");
for(...) {
printf(" ...", ???);
}
return 0;
}
実行例
Before : 3 2 5 4 1
After : 5 4 3 2 1
配列データの並べ替えには，さまざまなアルゴリズムが提案されている．
一番単純な降順の並べ替えは，以下のような手順で実現可能である．
ここでは配列名を a，要素数をN とする．
a[k]と，それ以降の配列の値 a[l], l=k+1, k+2, ... , N-1 とを順次比較．a[l]がa[k]より大きければ，a[k]の値とa[l]の値を入れ替える=swap()．l=N-1の時点でa[k]の値が最大値となっている．
この手順を繰り返し，全てのkに対する処理が完了した時点で，配列の先頭から大きい値が順に並んでいる．
また，上記の「大きければ」の比較を「小さければ」にすれば，昇順（小さい順）の並べ替えができる．
このほかにもさまざまなソーティングアルゴリズムがあるので，興味があれば各自で調べてみよう．