制御文(1)：条件分岐と繰り返しの基礎

制御文は，コンピュータ・プログラミングの要（かなめ）のひとつである．
プログラムにおける処理は，main関数から始まって単純に上から下へと一本道で進むだけでない． 時と場合に応じて動作を変化させたり，同じような処理を何度も繰り返す必要がある．

このような処理の流れを制御するプログラム中の構文を，「制御文」という．
今回は，「条件分岐」と「繰り返し処理」の基本を学ぶ．

目次

このページ内へのリンクです．

• 条件分岐の基礎
  • if文
  • 比較演算子
  • コードブロック
  • 論理演算子
• if - else 文


• 繰り返し処理の基礎
  • while文
  • do-while文
  • for文
• 練習問題（授業時間内に実習）

条件分岐の基礎

コンピュータの動作の中で，高度な計算や制御を実現しようとする場合，何かの条件を元に判断をして，動作を臨機応変に変える必要がある．

例えば，エアコンの制御では，室内の温度や湿度を計測して，冷却する or 加熱するのかを決める． また，スマーホフォンでは，タッチパネルを指で触ると，その位置や押し具合（圧力）でアプリを起動したり，文字を入力したりする．

このように，様々なセンサ類を用いた外界との相互作用や，計算の結果に応じて処理を中止したりなどの対処を変えるようなことがコンピュータには求められる．
これらは皆，コンピュータが何らかの条件を判断して，それに応じて処理を変化させている結果である．
このような動作を「条件分岐」と呼ぶ．

if 文

if文（いふぶん　と読む）は，条件文と呼ばれるC言語の構文である．
if文には，判断の基準となる式（条件式 という）を記述し，その評価結果が 真 (true) または 偽 (false) のいずれになるかによって，処理の流れを変える動作をする．

if文には大きく分けて三種類あるが，最も単純な形は以下のようになる．

if文の基本形
  if (条件式) {
    文;
}

このプログラムにおいて，

• 条件式が真と評価された場合，「文」が実行される．
• 条件式が偽と評価された場合，「文」は実行されない．

そして，それ以降の行へと処理が続行する．

if文内の条件式（単に式ともいう）は，以下の比較演算子や論理演算子を組み合わせて記述する．

比較演算子

比較演算子は2つの値の比較を行う演算子であり，関係演算子とも呼ばれる．

例えば， 3 > 2 という式は，真（true）である，という．
逆に，2 > 3 という式は，偽（false）である，という．

if (3 > 2) {
    printf("3 is greater than 2\n");
}

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int x;
    x = 10;

    if(x > 2) {                  /* 条件式を判定 */
        printf("It's true.\n");   /* 真の場合のみこの文を実行．字下げして見やすく書くこと． */
    }

    return 0;
}

x = 1;
if(x > 2) {
    printf("This message is never displayed.\n");
}

使用例int main(void)
{
    bool kisu = false; // falseで初期化
    int i = 3;
  
    if( i % 2 == 1 ) {     // i を2で割った余りが1 = iが奇数ならば
        kisu = true;
    }
  
    return 0;
}

コードブロック

上記の，条件分岐の処理に用いた { } の区間を「コードブロック」または単に「ブロック」と呼ぶ．
コードブロックは，「複文」とも呼ばれ，if文や，後述するfor文などの制御文の影響範囲を指定することができる．

修飾する範囲が1行のみの場合は，以下のように { } を省略することができる．

if（式1) {     /* ここから */
  文1;
  文2;
  文3;
  文4;
}             /* ここまで */


文が1行のみの場合は，{}を省略可．
if（式1）
    文1;

main 関数の始まりと終わりの{ }も，実は関数の開始と終了を示すコードブロックを表している．

Cでは，このように字下げを汚く書いても問題はないが，字下げが揃っていないと読みにくく間違いの元．

       if (式1) {

文1;
      文2;
文3;
          文4;
    }

論理演算子

少々複雑な条件分岐を行おうとすると，単独の関係演算子では不十分である． そこで，条件を組み合わせることで，より高度な判定を行うことができる．
例えば，言葉で表現すると

• 点数が60点以上，かつ，70点未満　ならば，成績評価は "C"．
• 室温が 28 度以上，または，湿度が 50% 以上　ならば，冷房ON．
• 車の速度が 25 km/h 以上，かつ，前方に人がいる　ならば，自動で減速停止する．
• 前方に壁がある，かつ，ギアがDレンジ　かつ，アクセルを強く踏んだ　ならば，加速しないで警告を出す．
• 今日は晴れでない　ならば，傘を持参．
• いまから電車に乗る，または，バスに乗る　ならば，ICカードを持参する．

など，いくらでもある． これらの表現のように，「かつ」「または」「∼ でない」をプログラム中で表す方法が論理演算子である．

論理演算子は，AND, OR, NOT の3種があり，比較演算で得られる「真」「偽」を複数結合し，高度な判定を行うことができる．

具体的な論理演算の結果を次の表に示す．
真偽値 a, b にたいして，出力 0 は false，1 は true を表すものとする．

例1

「aが3以上で，かつ，bは-2以下」は ( a >= 3 ) && ( b <= -2 ) と書く．
演算子には優先順位があり，この場合，&& よりも不等号のほうが優先順位が高いので ( ) は不要であるが， 見やすさのため ( ) をつけておくとよい．

例2

数学などでよく出てくる値の範囲を表す表現，「 n が 10 以上 20 未満」は，「 n が 10 以上，かつ，n が 20 未満」と解して ( 10 <= n ) && ( n < 20 ) と書く．
同様に，これの否定である「 n が 10 未満 または 20 以上」は， ( n < 10 ) || ( 20 <= n ) と書ける．
あるいは，これと等値な ! ( ( 10 <= n ) && ( n < 20 ) ) と書いてもよい．（ド・モルガンの法則ですね．）

if～else 文

単純なif 文は，ある処理を「する」か「しない」かの判定であったが，場合によっては処理の二者択一を行いたい場合がある．
if に続けて else を組み合わせる構文を組み合わせることによって，これを記述することができる．

if文　その２
  if(条件式) {

    文1；

} else {

    文2；

}

この構文では，if文中の「条件式」を評価し，「真」であれば 文1 だけを実行し，「偽」であれば 文2 だけを実行する． つまり，排他的に二者択一の処理を行う．

繰り返し処理の基礎

計算機の最大の利点は，人間にとっては苦痛な単純繰り返し作業を超高速で，間違いなく，文句を言わずに実行できる点にある．
処理の繰り返し構文を上手に使うことにより，計算機の本領を発揮できる．

プログラミングの世界では，繰り返し処理のことをループ処理と呼ぶ．
また，ソースコードの中で繰り返し実行される部分をループと呼ぶ．

特に，学術計算の分野では，行列計算（連立方程式）や，数値積分などを単純な四則演算に置き換えて，実行することにより，高度な計算結果を得ることが日常的に行われている．

反復処理が必要な応用例

• 連立方程式，行列計算
• 微分方程式の時間発展計算
• 級数の収束計算
• 信号処理（波形処理，音声処理）
• 画像処理（特徴検出，画像加工）
• データベース処理
• 機械学習，ディープラーニング
• 情報圧縮，通信，暗号化
• 家電やロボットなどの機器制御

機械学習のような一見，複雑な処理や問題も，簡単な処理の繰り返しに分割し，計算機で処理するということが広く行われている．
このような計算機のための解法手順のことをアルゴリズムという．

C言語では，while文，do-while文，for文を用いてループ処理を実現する．他の言語にも同様の構文が存在する．

while文

繰り返しの一番単純な形は，while文（whileループ）であり，以下のように記述する．
書式については，条件分岐である if 文と似ている．

while ( 条件式 ) {
    文;
}

処理の流れを細かくみると，

• 処理が while 文に到達すると，条件式が評価される．
  条件式が真であれば，「文」を実行する． 条件式が偽であれば，「文」は実行されない． （ここまでは if 文と同じ．）
  
• 「文」の実行が終わり，ブロックの終端 } に到達すると，while の行に戻り，再度条件式の判定が行われる．
  これが繰り返され，式が真である間は「文」の実行が何度も繰り返される．
• 何らかの理由で条件式が偽になると，ループが終了し，それ以降の処理へと継続する．
  

具体例：
// 5 から 12 までの整数を画面に表示する

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int i;                             // １．繰り返しのために，整数型変数を用意．カウンタ変数という．
    i = 5;                             // ２．i に初期値を代入 

    while(i <= 12) {                   // ３．条件式の判定．i が 12 以下なら，繰り返しを続ける．

        printf("i = %2d \n", i);       // %2d = 2桁で表示

        i++;                           // ４．一回繰り返す毎に，iに1を足す．インクリメントという．

    }   // これが while ループの終わり

    return 0;
}

実行結果

i =  5
i =  6
i =  7
i =  8
i =  9
i = 10
i = 11
i = 12

注：プログラムのミス等でwhileの条件式が永久に真であり続ける場合は，処理が無限に繰り返される．
この場合は，ターミナル画面を選択した状態で，キーボードの[CTRL]キーを押しながら[c]キーを押すと，強制終了できる．

無限ループ

while 文において，条件式が常に「真」となるような記述すると，無限に処理を繰り返すことができる．

while( 1 ) {   //  1でなく，2でも3でも良いが，通常は 1 を使う．while(true) もOK.

    ... // 無限に繰り返す処理

}

このような技法を，無限ループと呼ぶ．
一見すると間違った処理にも見えるが，ロボットの制御や家電製品のコントローラなど，電源ONの間は，決してプログラムが終了してはいけない場面で用いられている．
また，break文と組み合わせることにより，一定の条件やタイミングで，無限ループから脱出するような記述も可能である．

Hello World!  1
Hello World!  2
Hello World!  3
Hello World!  4
.
.
.

do-while文

whileループでは，if文と同様，まず条件式が評価され，その真偽に応じて繰り返し処理の継続か終了かを判定する．
これとは対照的に，以下に示す do ... while() ループでは，まず1回目のループ処理を無条件に実行し，その後，式の評価を行う．

do {

    文;   // ループ処理の最初の1回は，必ず実行される．

} while(条件式);        // このセミコロンを忘れないこと

注意：do-while()は，最後のwhileの行末のセミコロンを忘れないこと．

一例として，キーボード入力ミス判定や，何らかの計算処理など，最初に1度実行してみて，その結果に応じて繰り返しを「する」か「しない」かを判断する場合に適している．

実行例（以下のように続けて入力させるように）

Input a number: 5    <- 入力
The number was 5     <- 出力

Input a number: 100
The number was 100

Input a number: -10
The number was -10

    .
    .
    .

Input a number : 0
The number was 0

Finish!

for文

while文を用いたサンプルコードには，繰り返し処理のエッセンスが含まれている．
それは

1. 繰り返し回数を数えるため，整数型変数を用意．（カウンタ変数と呼ぶ）
2. カウンタ変数に初期値を設定．
3. 繰り返しを「継続する条件」を，条件式として書く．
4. 1回繰り返すごとにカウンタ変数を更新．
   （数値を増加させることをインクリメント，逆に減ずることをデクリメントという．）

これらの定型表現を1か所にまとめて書くことのできる構文が，forループである．

for ( 初期化部 ;　条件式 ;　インクリメント部 ) {
    文；
}

以下に，for 文を用いた常套句を示す．
この例では，1 から 10 までの値の2乗の，合計値を計算して表示している．

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int i;          // カウンタ変数
    int sum = 0;    // 計算用変数．以下で += で加算してゆくので，最初に初期化が必要

    for(i=1; i<=10; i++) {    // よくある書き方．

        sum += i*i;     // sum に次々と足してゆく．

    }

    // ループ処理が終了したので結果を表示．
    printf("sum = %d\n", sum);
	
    return 0;
}

なお，for(int i=1; i<=10; i++) {のように，カウンタ変数の宣言をfor文内に書くこともできる．
カウンタ変数にはどのような名前をつけても構わないが，慣例では，i, j, k などが用いられることが多い．

++は，iの値を1増やすインクリメント演算子といい，i += 1;，i = i+1;と等価である．
--は，iの値を1減ずるデクリメント演算子といい，i -= 1;，i = i-1;と等価である．

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int i = 0;
    int j = i++;      /* 後置インクリメントという */
    printf("i=%d j=%d\n", i, j);
    return 0;
}

int j = ++i;      /* 前置インクリメントという */

Q and A

実習の進め方

• 練習問題・・・授業時間（3-4限）内において，各自でプログラミングを行う．
  適宜解説を加える場合がある．作成したソースファイルは，提出する必要はない．
  講義で説明した内容の理解度の確認を各自で行う．


• 実習課題（提出するもの）・・・定められた期限までに，Online Judgeにて課題を提出する．

練習問題（授業時間内に実施）

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．提出不要．

実行例：

Input a number : 17
17 is odd.

Input a number : 2
2 is even.

Input a number : -5
Error!

Input a number : 0
Error!

実行例：
1 2 [3] 4 5 [6] 7 8 [9] 10 11 [12] [13] 14 ... 29 [30] [31] [32] ... 98 [99]

実行例：

Input? 1
Input? 2
Input? 3
Input? 4
Input? 0
---- end ----
sum = 10