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フローチャートと数値型

学際科目の情報制御基礎において、プログラムの基本としてフローチャートと基本的な処理を説明し、数値型の注意点を説明。

フローチャートの基本

プログラムの処理の順序を理解するには、初心者であればフローチャート(流れ図)を使う。

処理の1つ1つを箱で表し、流れを箱の間の矢印で示すことでアルゴリズム(プログラムの考え方)や処理順序を表現する。処理単位の箱は、命令の種類によって箱の書き方が決まっている。

上図右側のフローチャートの例では、以下の説明のように実行され、0,1,2,…,9 が表示され、最終的に変数 i が10以上になり処理を停止する。

(1) 変数 i に 0 を保存
(2) 変数 i は10未満なら(3)、10以上なら終了
(3) 変数 i を表示
(4) i = i + 1 右辺の計算結果を、左辺に代入iが0から1に変化
(5) 処理(2)から繰り返し。

練習問題1

以下のフローチャートの処理A,処理B,処理C,処理Dの実行結果を答えよ。

  • 電気電子工学科,電子情報工学科の学生は、出席番号が偶数は処理C,奇数は処理Dについて回答せよ。
  • それ以外の学科の学生は、出席番号が偶数は処理A,奇数は処理Bの結果について回答せよ。

情報量の単位

データを覚える最小単位は、0と1の2通りで表される1bit (ビット)と呼ぶ。単位として書く場合には b で表す。さらに、その1bitを8個組み合わせると、256通りの情報を保存できる。256通りあれば一般的な英数字などの記号を1文字保存する入れ物として便利であり、この単位を 1byte (バイト) と呼ぶ。単位として書く場合には B で表す。

通信関係の人は8bit=1byteを1オクテットと呼ぶことも多い。日本語を表現するには、かなや漢字を使うため16bit = 2byte = 1word(ワード) で表現することが多い。(ただしワードは32bitを意味することもあるので要注意, double word=32bit, quad word=64bit という呼び方もある。)

物理では単位が大きくなると、103=kキロ,106=Mメガ,109=Gギガ,1012=Tテラ を使うが、コンピュータの世界では、103≒210=1024 なので、1kB(キロバイト)というと1024Bを意味することが多い。明確に区別する時は、1024B(バイト)=1KiB(キビバイト), 10242B=1MiB, 10243B=1GiB などと記載する。

2進数,8進数,16進数

プログラムの中で整数値を覚える場合は、2進数の複数桁で記憶する。例えば、2進数3桁(3bit)であれば、000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 で、10進数であれば 0~7 の8通りの値が扱える。(8進数)

2進数4桁(4bit)であれば、0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 の16通りを表現できる(16進数)。これを1桁で表現するために、0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F を使って表現する。

例  8進数    16進数
    0123    0x123     ※C言語では、
  +  026   + 0xEA      8進数を表す場合、先頭に0をつけて表す。
 -------- --------     16進数を表す場合、先頭に0xをつけて表す。
    0151    0x20D

整数型と扱える値の範囲

コンピュータの開発が進むにつれ計算の単位となるデータ幅は、8bit, 16bit, 32bit, 64bit と増えていった。整数型データには、正の値しか覚えられない符号無し整数と、2の補数で負の数を覚える符号付き整数に分けられる。

プログラムを作るためのC言語では、それぞれ 8bitの文字型(char)、16bitの short int型、32bitの int 型、64bitの long int 型(C言語では long int で宣言すると32bitの場合も多いので要注意)がある。

精度 符号あり 符号なし
8bit(1byte) char (int8_t) unsigned char (uint8_t)
16bit(2byte) short int (int16_t) unsigned short int (uint16_t)
32bit(4byte) int (int32_t) unsigned int (uint32_t)
64bit(8byte) long int (int64_t) unsigned long int (uint64_t)

符号付きのデータは、負の数は2の補数によって保存され、2進数の最上位bit(符号ビット)負の数で1、正の数であれば0となる。

整数型で扱える数

(例) 符号なしの1byte(8bit)であれば、いくつの数を扱えるであろうか?

符号なしの N bit の整数であれば2N通りの値を表現でき、0(2N-1) までの値が扱える。

bit数 符号なし(unsigned)
8 unsigned char 0~28-1 0~255
16 unsigned short int 0~216-1 0~65535
32 unsigned int 0~232-1 0~4294967295

符号付きの N bit の整数であれば、最上位ビットが符号に使われるので、正の数なら残りの(N-1)bitで扱うため 0〜2N-1-1を表現できる。負の数は2N-1通りを表現できるので、N bit の符号つき整数は、-2N-1 〜0〜 2N-1-1の範囲の値を覚えられる。

bit数 符号あり(signed)
8 char -27~0~27-1 -128~127
16 short int -215~0~215-1 -32768~32767
32 int -231~0~231-1 -2147483648~2147483647

2の冪乗の概算

プログラムを作る場合、2の冪乗がだいたいどの位の値なのか知りたいことが多い。この場合の計算方法として、2つの方法を紹介する。

  • 232 = (210)3 × 22 = 10243 × 4 ≒ 4,000,000,000
  • 232をN桁10進数で表すとすれば なので、両辺のlog10を求める。

      (つまり、bit数に0.3をかければ10進数の桁数が求まる。)

数値の範囲の問題で動かないプログラム

この話だけだと、扱える数値の上限について実感がわかないかもしれないので、以下のプログラムをみてみよう。(C言語の詳細は説明していないので、問題点がイメージできるだけでいい。)

組み込み系のコンピュータでは、int 型で宣言される変数でも、16bitの場合もある。以下のプログラムは期待した値が計算できない例である。以下の例では、16bit int型として short int で示す。

// ✳️コード1
#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main() { // 原点から座標(x,y)までの距離を求める
   short int x  = 200 ;
   short int y  = 200 ;
   short int r2 = x*x + y*y ;  // (x,y)までの距離の2乗
   short int r  = sqrt( r2 ) ; // sqrt() 平方根
   printf( "%d\n" , r ) ;      // 何が求まるか?
   return 0 ;                  // (例) 282ではなく、120が表示された。
}

コンピュータで一定時間かかる処理を考えてみる。

// コード2.1
// 1 [msec] かかる処理が以下のように書いてあったとする。
short int i ;
for( i = 0 ; i < 1000 ; i++ )
   NOP() ; // NOP() = 約1μsecかかる処理とする。

// ✳️コード2.2
// 0.5 [sec]かかる処理を以下のようにかいた。
short int i ;
for( i = 0 ; i < 500000 ; i++ )
   NOP() ;
// でもこの処理は16bitコンピュータでは、1μsecもかからずに終了する。なぜか?

上記の例は、性能の低い16bit コンピュータの問題で、最近は32bit 整数型のコンピュータが普通だし、特に問題ないと思うかもしれない。でも、32bit でも扱える数の範囲で動かなくなるプログラムを示す。

OS(unix) では、1970年1月1日からの経過秒数で時間(unix時間)を扱う。ここで、以下のプログラムは、正しい値が計算できない有名な例である。(2004年1月11日にATMが動かなくなるトラブルの原因だった)

// ✳️コード3.1
int t1 = 1554735600 ; // 2019年4月09日,00:00
int t2 = 1555340400 ; // 2019年4月16日,00:00

// この2日の真ん中の日を求める。
//  t1       |        t2
//  |--------+--------|
//  |      t_mid      |
//  以下のプログラムは、正しい 2019年4月12日12:00 が求まらない。なぜか?
int t_mid = (t1 + t2) / 2;  // (例) 1951年03月25日 08:45 になった。

// コード3.2
//  以下のプログラムは正しく動く。 time_t 型(時間処理用の64bit整数)
time_t t1 = 1554735600 ; // 2019年4月09日,00:00
time_t t2 = 1555340400 ; // 2019年4月16日,00:00

// time_t型が32bitであったとしても桁溢れない式
time_t t_mid = t1 + (t2 - t1) / 2 ;

練習問題2

以下の整数の範囲を具体的な値で答えよ。
出席番号・自分の誕生日(の日にち)に合わせて該当する2問について答えること。

  1. 7bitの符号なし整数で扱える数値の範囲 (出席番号が偶数)
  2. 12bitの符号あり整数で扱える数値の範囲 (出席番号が奇数)
  3. 20bitの符号なし整数で扱える数値の範囲 (誕生日の日づけが偶数)
  4. 24bitの符号あり整数で扱える数値の範囲 (誕生日の日づけが奇数)

練習問題3

先に示した数値の範囲が原因で動かないプログラム(コード1,コード2.2,コード3.1)の中から1つを選んで、計算結果が正しく求まらない原因を、具体的な値を示しながら説明せよ。

練習問題1,練習問題2,練習問題3について、レポートとして提出せよ。