関数(2)

目次

• 関数のプロトタイプ宣言
• ライブラリ関数
• 変数の有効範囲
• 引数の渡し方
• 再帰関数
• まとめ
• Q and A

関数のプロトタイプ宣言

C言語のソースファイルは関数の集合であることはすでに述べたが，ソースコード中で関数を定義する場所と，呼び出しを記述する順序に注意が必要である．
というのは，コンパイラがソースファイルの構文解析を行う際に，ソースコードの上から下へとを行うため， 関数を呼び出す時点で，その関数名や引数についての情報が既出である必要がある．
（注：最近の賢いコンパイラは，ソースコード下方から関数の定義を探してくるものもある．）

例として，2つの整数の和を返す関数を考えてみよう．

#include <stdio.h>

int wa_no_keisan(int a, int b)    // 関数の定義
{
    return a+b;
}

int main(void)
{
    int x = 1, y = 3, z;
    z = wa_no_keisan(x, y);    // 関数の「呼び出し」
    printf("%d\n", z);
    return 0;
}

これはうまくコンパイルできるはずである．
次に，関数の中身は変えないで，main()とwa_no_keisan()の記述順序を逆にしてみよう．
コンパイルするとどうなるだろうか．

//
//  書かれている内容は全く同一だが・・・
//
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int x = 1, y = 3, z;
    z = wa_no_keisan(x, y);    // 関数の「呼び出し」
    printf("%d\n", z);
    return 0;
}

int wa_no_keisan(int a, int b)    // 関数の定義
{
    return a+b;
}

この例は，関数の中身はそれぞれ先のコードと全く同じであるが，コンパイルエラーまたは警告が出る．
理由は，main() 関数内の wa_no_keisan() の呼び出しよりも下方に関数 wa_no_keisan() の定義が書かれている点である．

この例のように，関数の定義を呼び出す前に書くことが可能であれば良いが，関数が増えてくると呼び出しの依存関係が複雑になったり，また，2つの関数が処理でお互いを呼びあったりする場合は，どちらを先に書いてもエラーとなってしまう．

そこで，関数の形（戻り値の型，関数名，仮引数の個数と型）を，あらかじめ宣言する方法が用意されている．
これを関数のプロトタイプ宣言，という． （プロトタイプ＝試作品，原型）

以下の例で確かめてみよう．

#include <stdio.h>

int wa_no_keisan(int a, int b);    // これが関数のプロトタイプ宣言 「;」が必要．
    
int main(void)
{
    int x = 1, y = 3, z;
    z = wa_no_keisan(x, y);    // 関数の「呼び出し」
    printf("%d\n", z);
    return 0;
}

int wa_no_keisan(int a, int b)    // 関数の定義
{
    return a+b;
}

なぜプロトタイプ宣言だけで良いかといえば，関数を呼び出す際には，差し当って，関数の名前，引数の型と個数，戻り値の型といった関数の形に関する情報があれば十分だからである．
関数本体の処理内容（定義）は，コンパイル後のリンク作業で結合され，実行ファイルが作られる．

プロトタイプ宣言とヘッダファイル

この関数プロトタイプ宣言は，その関数の定義が「同じソースコード内には無い」場合に重宝される．
例えば，printf() の定義は皆さんが作っているソースコードの中には無いですね．
実は，おまじないの #include を記述している stdio.h という名前のヘッダファイル中に，printf 関数のプロトタイプ宣言が書かれている．

また，printf()関数の定義は，事前にコンパイルされ，ライブラリーファイル(.a, .libファイル)としてまとめられており，これを自作のプログラムに結合する作業は，リンク処理で行われる．
通常はコンパイルすると，以下のように自動的に「リンク」処理まで行われる．

1. プリプロセス：#include の展開や #define マクロの置き換え．
2. コンパイル：.cppファイルごとにオブジェクトファイル（.obj, .o, 機械語の一部）をそれぞれ生成．（この時点では関数の定義は無くても良い，プロトタイプ宣言のみでOK）
   どこか（別のファイル）に関数があるものとしてコンパイルされる． 文法に誤りがあれば，この時点で「文法エラー」が発生する．
3. リンク：複数のオブジェクトファイルを結合し，単一の実行ファイルを生成する．この際，必要に応じてライブラリファイル内の printf(), scanf() などの関数の機械語コードを結合する．
   関数の定義が見つからなければ，「リンクエラー」が出る．

ライブラリ関数

一般的には，C言語の開発環境には「ライブラリ関数」と呼ばれる既成品の関数群が用意されている．
本来は，ライブラリ関数はコンパイラとは別の製品であるが，gccやbcc, Microsoft Cなど市販の or 無償利用できるコンパイラの多くは，ライブラリ関数とともに配布されている．
いままで用いてきた printf(), scanf()は，ライブラリ関数の代表例である．

ライブラリ関数を利用するには，そのプロトタイプ宣言が書かれたヘッダファイルを必要に応じて #include する必要がある．
これはほんの一例であるので，詳しくは各種メーカー提供のライブラリ関数リファレンスを参照のこと．

以下，いずれも外部サイトへのリンクです．

• ISO/IEC 9899:TC3 プログラム言語 — C 第7章


• Microsoft C Runtime Library reference
• function reference by category
• alphabetical function reference


• Microsoft社 Cランタイムライブラリ　リファレンス，日本語
• 関数リファレンス (カテゴリ別），日本語
• 関数リファレンス (アルファベット順），日本語


• Embarcadero社　C runtime Library リファレンス

以下によく使われるライブラリ関数の例を示す．

1. 標準入出力printf(), scanf()
2. 標準ライブラリexit(), rand()
3. 算術sqrt(), sin(), cos(), tan(), exp(), log()
4. ファイル入出力 fopen(), fclose(), fprintf(), fscanf()
5. 文字列操作 strcpy(), strlen(), atoi(), atof()
6. メモリ malloc(), calloc(), free()
7. 時間・時刻 time(), clock()

ファイル入出力や，文字列操作などは，別の回に説明する．

double sin(double x);
double cos(double x);
double tan(double x);

#include <stdio.h>
#include <math.h>       // これが必要

const double PI = 3.14159265358979;

int main(void)
{
    double theta;

    printf("theta , sin(theta) \n" );
    for(theta=0.0; theta<=2.0*PI; theta += 0.1*PI ) {
        printf("%lf , %lf\n", theta, sin(theta) );  // ラジアン表示．
    }
    return 0;
}

int rand(void);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>       // これが必要

int main(void)
{
    for(int i=0; i<100; i++ ) {
        printf("%d\n", rand() );
    }
    return 0;
}

変数の有効範囲

ローカル と グローバル

関数の範囲は，波括弧{ }で表されるコードブロックで表される．
関数定義の中で宣言される変数は，その関数中でのみ有効であり，関数が終了し処理がブロック外に出ると，その変数は自動的にメモリ上から破棄され使用できなくなる．
このような変数は自動変数とよばれる． 通常の変数は，この自動変数となる．
（参考：自動変数の対義語としてstatic（静的）変数というのもある．）

関数「内」で宣言される変数のほかに，関数「外」でも変数の宣言をすることができる．
関数の外で宣言された変数はどの関数にも属さないため，（その変数が宣言された行以降の）全ての関数から使用できる．

#include <stdio.h>

//  関数外での変数宣言＝グローバル変数
int global = 100;
float data = 2.99;
    
int main(void)
{
    int i;     // 関数内での変数宣言

    i=1;           // これはもちろんOK
    data = 5.11;   // これもOK
    return 0;
}

変数が利用可能なソースコード中の範囲を「変数のスコープ」と呼び，その範囲は変数が宣言された場所で決まり，

• 関数「内」で宣言された変数を ローカル変数
• 関数「外」で宣言された変数を グローバル変数

と呼ぶ．
ローカル変数，グローバル変数は，それぞれ局所変数，大域変数とも呼ばれる．

注：関数の仮引数は，見かけ上関数のブロック { } の外側にあるが，これは関数内でのみ有効なローカル変数である．

グローバル変数の宣言と有効範囲

グローバル変数は，どの関数でも変更可能なので，あちらこちらで自由に参照できるので，一見すると非常に便利に思えるが，実は副作用の方が大きい．
特に，プログラムの規模が大きくなるにつれ，次第にその管理が難しくなることから，安易に使わない方が良いとされている．
関数間でデータをやり取りする場合は，引数や戻り値を適切に受渡しするのが良い．

グローバル変数の使用が適している例として，プログラム全体で共通して使用する定数や，円周率や重力加速度などの物理定数などがある．
このような定数の場合は，定数を誤って変更しないように const を追加で指定しておくと安全である．

#include <stdio.h>

// この位置では，定義前なので変数は使用不能．
// global_val = 1.0;    // これはエラー


//  グローバル変数．定義した行以降で有効
const double pi = 3.14159265358979;   // const 指定すると，値の変更がコンパイルエラーとなり安全．
float global_val = 0;


float area(float r)    // 仮引数 r は，関数 area のローカル変数
{
    float A;        //  ローカル変数．
    A = pi * r * r;   //  グローバル変数 pi を使用
    return A;
}
    
void func(void)
{
    float r = 10.0;  // ローカル変数．関数area()内の r とは同名でも全く別物
    float L; 
    L = 2.0 * pi * r;
    global_val = 100;   //  グローバル変数に代入．この変更はコード全体に影響する．
}

int main(void)
{
    ...
}

ローカル変数とグローバル変数，使い分けのヒント：

• 基本はローカル変数を使用．変数名をしっかり管理して，必要なものだけに限定することが望ましい．
  未使用の変数は削除しておく．
• グローバル変数を用いると，次第に変数の管理が複雑になる．
  どうしても必要な場合（＝グローバル変数を使うことが最も適切である場合）以外は使わないほうがよい．
• 変数のスコープはできるだけ小さくするほうが良い．変数は必要な時に必要なだけ宣言する．
  変数は，必要なものだけに限定すればメモリの節約になり，プログラムのミスを減らすことができる．

引数の渡しかた

関数に引数を渡す方には，3種類ある（すべて重要）．

１．値渡し(call by value)

通常の渡し方．呼ばれた関数の仮引数に，実引数の値がコピーされて渡される．
従って，仮引数をどれだけ変更しても，実引数（元の変数）には影響を与えない．

２．アドレス渡し (call by address)

値のコピーではなく，値のある場所（アドレス）を渡す方法である．
仮引数の値を変更すると，呼び出し元の実引数の値も変更される．
つまり，引数として渡された変数の値を参照・変更できる．
（return による戻り値では，1つしか値を返せない）

３．参照渡し(call by reference)

C++ の拡張機能である．仮引数は，呼び出し側の実引数の「参照」が渡される．
アドレス渡しと同じく関数中で仮引数の値を変更すると，呼び出し元の実引数の値も変更される．
（ソースコードの見た目は「値渡し」に見えるが，本質は「アドレス渡し」である．*や&を書かなくても済む．）

#include <stdio.h>

void clear(int x)
{
    // 仮引数を変更
    x = 0;
}

int main(void)
{
    int a = 100;

    printf("a=%d\n",a);

    clear(a);

    printf("a=%d\n",a);

    return 0;
}

#include <stdio.h>

void clear(int *px)   // アドレス渡し
{
    // ポインタ変数に*をつける
    *px = 0;
}

int main(void)
{
    int a = 100;

    printf("a=%d\n",a);

    clear(&a); // アドレスを渡す

    printf("a=%d\n",a);

    return 0;
}

#include <stdio.h>

void clear(int& x) // 参照渡し
{
    // x は，main()中の a の「参照」
    x = 0;
}

int main(void)
{
    int a = 100;

    printf("a=%d\n",a);

    clear(a);  // 値渡しと同じ?

    printf("a=%d\n",a);

    return 0;
}

ポインタ渡しの例と参照渡しの例に，同じアンパサンド（アンド）記号 & が使われているが，異なる用法なので注意．
（同様に，アスタリスク * 記号も掛け算と同じ記号であるが，まったく意味が異なる．さらに細かく言えば，アドレス渡しの例内の2つの * も，異なる役割である．）
ポインタ変数の使い方については，ポインタの回で詳しく説明する．

再帰関数

C言語では関数の中で「自分」を呼び出すことができる．
参考書などでは定番の書法であるが，実用的な使い道はさほど多くない．
例えば，以下は階乗の計算の例である．

#include <stdio.h>

int kaijo(int x)
{
    int n = 0;

    if(x < 0)
        n = 0;           // エラー処理
        
    else if(x == 0)
        n = 1;           // 0! = 1

    else
        n = x * kaijo(x-1); // 再帰呼び出し

    return n;
}


int main(void)
{
    for(int i=0; i<10; i++)
        printf("%d! = %d\n", i, kaijo(i));
    return 0;
}

階乗の計算は，例えば，
$5! = 5*4*3*2*1$
である．これは，
$5! = 5 * 4!$
に等しい．
一般項で考えると，
$x! = x * (x-1)!$
となる．
つまり，計算過程に，自分自身を含むような処理の場合に再帰関数を用いることができる．

関数の再帰呼び出しにおいては，条件分岐に再帰呼び出しではない処理（この場合は x==0 で return が 1）があり，ここに至って初めて値が定まり， 次々にリターンして（戻って）くる．
このように，再帰関数では処理の中で，必ず再帰呼び出しを終わらせるロジックを慎重に記述しなければならない．

まとめ

• 変数の宣言位置によって，ローカル変数とグローバル変数とに別れる．
• 関数の仮引数は，ローカル変数となる．
• グローバル変数の使用にはやや注意が必要．const などを組み合わせて使う．
• 引数の渡し方には，値渡し，アドレス渡し，参照渡しがあり，渡した先での変数の扱いが異なる．
• 関数は，呼び出す行より上方に，関数の定義またはプロトタイプ宣言が必要である．（前方参照という）
• ヘッダファイルには，関数のプロトタイプ宣言が書かれている．
• 関数内から自分自身を呼び出すことができる．（再帰呼び出し）

Q and A

練習問題（授業時間内に実習）