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Microsoft365のデータ容量上限設定

今までは、OneDrive,Teams,Outlookは、Microsoft との協定で高専では、かなり余裕をもって使えていたけど、利用の拡大で色々と制限がかかるようになった。そりゃしかたがないよね。

システム名    現行の容量        制限後の容量(対象)
・OneDrive         1TB     50GB(全教職員・学生)
・Teams・SharePoint   1TB     100GB(Teams(チーム)・SharePointサイト)
・Outlook             50GB       10GB(全教職員・学生)

ということで、職場個人の OneDrive と Outlook を大掃除。

  • OneDrive 55GB → 20GB
  • Outlook 11GB→ 6.5GB

Outlook は、数年前までは用途別にフォルダ分けをしていたけど、この3,4年はフォルダ分けを断念。受信トレイに18000件,3.8GB のメッセージが溜まってる。(でもほとんど改めては見ることのないメールばかりだろう)

ネットワークとセキュリティ

前回の授業では、バックエンドのプログラムの問題によるセキュリティ問題を説明した。今回は、ネットワークの物理的な接続方法などの話を中心にセキュリティについて説明を行う。

ネットワークからの攻撃とFireWall

脆弱性とバッファオーバーフロー

プログラムには、何らかのバグが潜んでいる可能性があり、悪用すると悪意のプログラムの実行や、情報の漏えい、システム異常を発生させサービスができなくするなどの脆弱性があって、悪意のある利用者から攻撃をうける可能性がある。

例えば、下記のようなC言語のプログラムは、配列をはみ出るようなデータを与えることで、関数の戻り番地を破壊させ、はみ出た部分に送り込んだ悪意のプログラムを実行させることが可能となる。このような入力用のデータ領域(バッファ)をはみ出させる攻撃はバッファオーバーフローと呼ばれる。

なお、最近のC言語のライブラリでは、上記のようなバッファオーバーフロー攻撃が一般的であることから、ASLR(Address Space Layout Randomization)により、スタック領域などの位置をランダム化することで、バッファオーバーフローによる攻撃が失敗するようになっている。

ルータとFireWall

外部にサービスを提供するようなシステムで、何らかの脆弱性のあるプログラムが使われていると、外部からのネットワーク接続で悪意のあるプログラム(マルウェア)を実行させられてしまうかもしれない。

このため、コンピュータでは不必要なプログラム(ネットワークサービス)は、起動されないようにする必要がある。もしくは、そのサービスは外部から利用できないように、途中のルータで FireWall(防火壁) を設置する。

FireWall では、(1)攻撃の可能性のあるIPアドレスからの接続を拒否、(2)外部に公開していないネットワークサービスのポート番号の接続を拒否といった方法をとる(拒否リスト方式)。もっと厳しい対策であれば、(3)特定のIPアドレスの機器からのみ接続を許可、(4)許可されているネットワークサービスのポート番号だけからだけ許可する方式をとる(許可リスト方式)

外部に公開する必要のないサービスがFireWallなどで正しく保護されていないと、攻撃をうける可能性がある。

ネットワーク接続のための装置

ルータやFireWallなどの仕組みをもう少し理解するために、組織内でネットワークを接続するための機器とその機能について改めて確認する。

ルータとは

元々の有線LANでは、1本のケーブルを時分割多重で共有しながら通信を行う。このため、瞬間的にはとある機器がネットワークを使用している時は、他の機器はデータ通信ができなくなる。この1本の線を大量の機器で使おうとすると、機器が使えるタイミングは減ってしまう。そこで、1本の線に直接接続する機器を分割したサブネットに分けて、必要な時だけ隣接するサブネットにパケットを中継するルータ or ブリッジが重要となる。

ルータは、隣接するサブネットのネットワーク番号(IPアドレスとサブネットマスク)を確認し、パケットを流す先を決定する。このネットワーク番号(IPアドレスとサブネットマスクの論理積)と中継を依頼するゲートウェイ(転送先)の一覧をルーティングテーブルと呼ぶ。

組織内のルータであれば、ネットワークの構造に合わせてあらかじめルーティングテーブルを定義しておく(静的ルーティング)。組織と組織を接続するようなルータは、自分に送ってほしいネットワーク番号の情報を相互に交換している(動的ルーティング)

ブリッジとHUB

ネットワークを接続するための機器には、ブリッジHUBが使われていた。

スイッチングHUB

機器を接続するための古いHUB(ダムHUB)では、通信中は他の機器の通信ができず効率が悪い。最近のHUBでは、通信する相手に応じて、内部のネットワークケーブルをスイッチのように接続・分離することができるスイッチングHUBを用いる。通信相手の識別には、一般的にMACアドレスが用いられる。(レイヤ2でのスイッチングHUB)

家庭用のスイッチングHUBは、特に細かい設定などは不要で管理機能が無いものは、アン マネージド スイッチングHUBと呼ばれる。

L2スイッチとL3スイッチ

サブネットに分割し、それぞれに異なるネットワーク番号を割り振り、中継するルータで FireWall を機能させることで、セキュリティを高めることが行われる。しかし、性能の高いスイッチングHUBは高価でもあり、1つのHUBに異なるネットワークを接続する必要がでてくることもある。この場合、IPアドレスを異なるネットワークの番号を偽装されると、データが盗み見られるかもしれない。

こういった相互に分離すべきネットワークであっても、柔軟なネットワーク構成とするためには、VLAN機能を持った L2スイッチ(レイヤ2スイッチングHUB) が使われる。タグVLAN機能付きのL2スイッチでは、特定のポートにVLANのタグ番号を割り当て、ポートに入る時にパケットに VLAN のタグ情報を付加し、そのパケットは同じ VLAN のタグをもつポートからしかデータを取り出せない。

L2スイッチ(レイヤ2スイッチ)は、機器のMACアドレスやパケットに付けられたVLANのタグ番号の情報(レイヤ2=データリンク層)でパケットの流れを制御している(下記OSI参照モデルの表を参照)。最近では、許可されていない機器がネットワークに侵入する不正侵入を防ぐために、登録されていないMACアドレスのパケットを通さないといった機能がある。

OSI参照モデルとレイヤ
第7層 アプリケーション層 アプリケーションの種類の規定
第6層 プレゼンテーション層 データフォーマットの交換
第5層 セッション層 コネクションの確立や切断などの管理
第4層 トランスポート層 パケットの分割合成や再送といった管理(TCP)
第3層 ネットワーク層 隣接するネットワーク間の通信(IPアドレス)
第2層 データリンク層 直接接続された機器間の通信(MACアドレス)
第1層 物理層 物理的な接続方法(コネクタや電圧など)

スイッチングHUBの中には、レイヤ3(IPアドレス)の情報でパケットの流れを制御するものもある。こういったスイッチは、L3スイッチ(レイヤ3スイッチ)と呼ばれるが、機能的にはルータと同じである。

一般的には、LANとWANを接続するための機器はルータ、LAN内部のネットワークを分離するためのものはL3スイッチと呼ぶ。

インターネットと接続するルータの機能

ネットワーク通信のIPアドレスとポート番号

クライアントの機器と通信相手との通信では、通信相手のIPアドレスとポート番号を指定してパケットを送出するが、処理結果を送信元に送り返すために、送信元のIPアドレスとポート番号が付加されている。送信元ではポート番号は、通信でよく使われる0~1023までのポート番号(ウェルノウンポート)以外で、1024~65535のポート番号(エフェメラルポート)の中から使われていないものをランダムに選んで使う。

送信相手に届いたパケットの返信データには、送信元と送信相手のIPアドレスとポート番号を入れ替えたものを割り当てることで、送信元にパケットが戻ってくる。

  • DIP = 送信先IPアドレス、DP = 送信先ポート番号
  • SIP = 送信元IPアドレス、SP = 送信元ポート番号

NAT(Network Address Translation)

現在広く使われているIPv4アドレス(32bit)では、40億台の機器間の通信しかできない。このため、組織内だけで使われるIPアドレス(プライベートIPアドレス)を使い、インターネットではグローバルIPアドレスを使う。

プライベートIPアドレス
クラスA/8 10.0.0.0~10.255.255.255 大規模組織向け
クラスB/12 172.16.0.0~172.31.255.255 中規模組織向け
クラスC/16 192.168.0.0~192.168.255.255 家庭用ルータ向け

組織内のLANからインターネット(WAN)に接続する際には、プライベートアドレスをグローバルアドレスに変換するNAT(Network Address Translation)の機能が使われる。

NATの問題点

しかし、インターネットの内側で異なる機器で同じポート番号が割り振られると、戻ってきたパケットをどちらの機器に送ればいいのか区別できなくなる。

NAPT(Netowrk Address and Port Translation)

そこで、最近のNATでは、IPアドレスの変換だけでなくポート番号の付け替えも行われる。この機能は正式には NAPT(Network Address and Port Translation) と呼ぶが、単に NAT と呼ぶことも多い。Linuxでは、NAPTの実装をIPマスカレードと呼ぶ。

FireWall と DMZ

組織内で外部に公開しているサーバがある場合は、以下の図のような構成にするかもしれない。しかし、このようなネットワーク構成では、FireWallの内側の公開サーバが攻撃されて、踏み台となった場合、組織内のPCが簡単に攻撃をうけてしまう。

そこで、外部からの接続を行う DMZ(De-Militarized Zone 非武装地帯) を設け、外部公開用の公開サーバは DMZ 内に設置する。外部とつながる FireWall では、外部からのパケットは DMZ に流れるように構成する。DMZ 内のサーバが踏み台になった場合を想定し、組織内のルータでは DMZ のサーバと組織内PCは通信できないように FireWall を2重に設置する。

配列に要素を追加

データが登録済みかどうかを判定する処理を作るために、登録された値を配列に次々と値を追加保存する場合、どのようにプログラムを記述するだろうか?

配列にデータを追加

次々と与えられた値を保存していくのであれば、Java であれば下記のようなコードが一般的であろう。
でも、ArrayList とはどのようにデータを覚えているのだろうか? なぜ 宣言は ArrayList<Integer> array であって ArrayList<int> array で宣言するとエラーが出るのであろうか?

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // ArrayList は連続アドレス空間に保存してくれる可変長配列
        //   ランダムアクセスをする場合に向いている
        ArrayList<Integer> array = new ArrayList<Integer>() ;
        array.add( 11 ) ;
        array.add( 2 ) ;
        array.add( 333 ) ;
        
        for( Integer i : array ) {
            System.out.println( i ) ;
        }
    }
}

このような ArrayList のようなデータ構造の仕組みを考えるために、最も単純な配列でプログラムを作ってみる。

末尾に追加

import java.util.*;

public class Main {
    static int[] array = new int[ 10 ] ;
    static int   size  = 0 ;

    public static void add( int x ) {
        array[ size ] = x ;
        size++ ;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        add( 11 ) ;
        add( 2 ) ;
        add( 333 ) ;
        
        for( int i = 0 ; i < size ; i++ )
            System.out.println( array[i] ) ;
    }
}

同じ処理をC言語で書いてみる。

#include <stdio.h>

int array[ 10 ] ;
int size = 0 ;

void add( int x ) {          // if ( size < array.length ) ... の判定が必要かも
    array[ size ] = x ;
    size++ ;
}

int main() {
    add( 11 ) ;
    add( 2 ) ;
    add( 333 ) ;

    for( int i = 0 ; i < size ; i++ )
        printf( "%d\n" , array[ i ] ) ;
    return 0 ;
}

しかし、このプログラムでは、最初に宣言した要素数10個を越えてデータを保存できないし、配列溢れさせないためには要素数の上限チェックも必要となるだろう。

昇順に並べながら途中に要素を追加

前述のプログラムでは、配列の末尾の場所を size で覚えておき、末尾にデータを追加していた。でも、配列に保存されている値の中から目的の値が含まれているか検索したいのであれば、配列に要素を昇順に保存しておいて2分探索法を使うのが一般的であろう。では、前述のプログラムを昇順で保存するにはどうすべきか?

最も簡単な方法で書くのであれば、下記のようなコードになるかもしれない。

public static void add( int x ) {
    int i ;
    for( i = 0 ; i < size ; i++ ) { // ここは2分探索で書けば O( log N ) にできるかも
        if ( array[ i ] > x )
            break ;
    }
    // for( int j = i ; j < size ; j++ )   // 途中に挿入は、コレじゃダメ?
    //     array[ j + 1 ] = array[ j ] ;
    for( int j = size - 1 ; j >= i ; j-- ) // 途中にデータを入れるために要素を1つ後ろに移動
        array[ j + 1 ] = array[ j ] ;
    array[ i ] = x ;
    size++ ;
}
void add( int x ) {
    int i ;
    for( i = 0 ; i < size ; i++ ) {
        if ( array[ i ] > x )
            break ;
    }
    // for( int j = i ; j < size ; j++ )
    //     array[ j + 1 ] = array[ j ] ;
    for( int j = size - 1 ; j >= i ; j-- )
        array[ j + 1 ] = array[ j ] ;
    array[ i ] = x ;
    size++ ;
}

このプログラムでは、for( i … ) の処理でデータを挿入すべき場所を見つけ、for( int j … ) の繰り返しでデータを1つ後ろにずらしてから要素を加えている。

for( i … ) の処理は、このプログラムでは O( N ) となっているが、2分探索法を用いれば O( log N ) に改善ができるかもしれない。しかし、for( int j… ) の処理は、データを1つ後ろにずらす必要があるため O( N ) の処理が必要となる。

ここで、途中にデータを追加する処理の効率を改善することを考える。

リスト構造の導入

以下のデータ構造では、配列にデータと次のデータの場所を覚えることで、一見デタラメな順序に保存されているようにみえるが、next[] に次の値の保存されている場所が入っている。

import java.util.*;

public class Main {           //    0    1    2    3    4    5
    static int[] data = new int[] { 11 , 55 , 22 , 44 , 33 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 } ;
    static int[] next = new int[] { 2  , -1 , 4  , 1  , 3  , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 } ;
    static int   size = 5 ;
    static int   top = 0 ;

    static void insert( int n , int x ) {
        data[ size ] = x ;
        next[ size ] = next[ n ] ;
        next[ n ] = size ;
        size++ ;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for( int idx = top ; idx >= 0 ; idx = next[ idx ] )
            System.out.println( data[ idx ] ) ;
        insert( 2 , 25 ) ;
        for( int idx = top ; idx >= 0 ; idx = next[ idx ] )
            System.out.println( data[ idx ] ) ;
    }
}
#include <stdio.h>

int  data[ 10 ] = { 11 , 55 , 22 , 44 , 33 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 } ;
int  next[ 10 ] = { 2  , -1 , 4  , 1  , 3  , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 } ;
int  size = 5 ;
int  top  = 0 ;

void insert( int n , int x ) {
    data[ size ] = x ;
    next[ size ] = next[ n ] ;
    next[ n ] = size ;
    size++ ;
}

int main() {
    for( int idx = top ; idx >= 0 ; idx = next[ idx ] )
        printf( "%d\n" , data[ idx ] ) ;
    insert( 2 , 25 ) ;
    for( int idx = top ; idx >= 0 ; idx = next[ idx ] )
        printf( "%d\n" , data[ idx ] ) ;
    return 0 ;
}

このようなデータ構造であれば、データ自体は末尾に保存しているが、次の値が入っている場所を修正することで途中にデータを挿入することができる。この方法であれば、途中にデータを入れる場合でもデータを後ろにずらすような処理が不要であり、O(1)で途中にデータを挿入できる。

このプログラムでは、配列の当初の長さを超えてデータを格納することはできない。

リスト構造 ListNode

前述の data と next で次々とデータを続けて保存するために、リスト構造(連結リスト)を定義する。

import java.util.*;

class ListNode {
    int      data ;
    ListNode next ;
    ListNode( int d , ListNode nx ) {
        this.data = d ;
        this.next = nx ;
    }
} ;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ListNode top = new ListNode( 11 , new ListNode( 22 , new ListNode( 33 , null ) ) ) ;

        for( ListNode p = top ; p != null ; p = p.next )
            System.out.println( p.data ) ;

        top.next = new ListNode( 15 , top.next ) ;

        for( ListNode p = top ; p != null ; p = p.next )
            System.out.println( p.data ) ;
    }
}
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

struct ListNode {
    int       data ;
    ListNode* next ;
} ;

ListNode* newListNode( int d , ListNode* nx ) {
    ListNode* _this = new ListNode() ;
    if ( _this != NULL ) {
        _this->data = d ;
        _this->next = nx ;
    }
    return _this ;
}

int main() {
    ListNode* top = newListNode( 11 , newListNode( 22 , newListNode( 33 , NULL ) ) ) ;
    for( ListNode* p = top ; p != NULL ; p = p->next )
        printf( "%d\n" , p->data ) ;
    top->next = newListNode( 15 , top->next ) ;
    for( ListNode* p = top ; p != NULL ; p = p->next )
        printf( "%d\n" , p->data ) ;
    return 0 ;
}

Javaのジェネリクス

Javaのジェネリクス(C++のテンプレート)を使って書いてみた。ジェネリクスは、クラスやメソッドにおいて、特定の型を指定することなく動作するコードを記述することができる機能。これにより、型安全性を保ちながら、コードの再利用性と柔軟性を向上させることがでる。

import java.util.*;

class ListNode<T> {
    T           data ;
    ListNode<T> next ;
    
    ListNode( T d , ListNode<T> n ) {
        this.data = d ;
        this.next = n ;
    }
} ;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // var 宣言は型推論で、右辺のデータ型を自動的に選択してくれる。
        // itop は整数型のリスト
        var itop = new ListNode<Integer>( 11 , new ListNode<Integer>( 22 , new ListNode<Integer>( 33 , null ) ) ) ;
        // new List<int>( 11 , ... ) と書くと、<>の中は reference しか使えないと言われる。
        for( var p = itop ; p != null ; p = p.next )
            System.out.println( p.data ) ;

        // stop は文字列型のリスト
        var stop = new ListNode<String>( "aa" , new ListNode<String>( "bb" , new ListNode<String>( "cc" , null ) ) ) ; 
        for( var p = stop ; p != null ; p = p.next )
            System.out.println( p.data ) ;
    }
}

前述のプログラムをJavaのジェネリッククラスで記述

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // LinkedList は上記のリスト構造で保存される。
        //    途中に要素の追加削除を行ったり、シーケンシャルアクセスに向いたデータ構造
        var top = new LinkedList<Integer>() ;
        top.add( 11 ) ;
        top.add( 22 ) ;
        top.add( 33 ) ;
        for( int i : top )            // 11 22 33
            System.out.println( i ) ;
        top.add( 1 , 15 ) ;
        for( int i : top )            // 11 15 22 33
            System.out.println( i ) ;
    }
}

クラスの宣言とコンストラクタ・メソッド

import java.util.*;

// クラス宣言
class Person {
    // データ構造
    String name ;
    int    age ;

    // コンストラクタ(データ構造を初期化する関数)
    Person( String n , int x ) {
        this.name = n ;    // this は対象となるデータそのものを指す
        this.age  = x ;    // 対象が明言されていれば、this は省略可能
    }
    // データを扱うメソッド
    void print() {                 // データを表示
        System.out.println( this.name + "," + this.age ) ;
    }
    boolean sameAge( Person x ) {  // 同じ年齢か判断するメソッド
        return this.age == x.age ;
    }
} ;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        Person tsaitoh = new Person( "Tohru Saitoh" ,  59 ) ;
        Person tomoko  = new Person( "Tomoko Saitoh" , 48 ) ;

        tsaitoh.print() ;  // Tohru Saitoh, 59
        tomoko.print() ;   // Tomoko Saitoh,48

        if ( tsaitoh.sameAge( tomoko ) ) {
            // sameAge( Person x ) では、
            // this = tsaitoh , x = tomoko となって呼び出される
            System.out.println( "同じ年齢ですよ" ) ;
        }
        Person[] family = new Person[ 2 ] ;
        family[0] = tsaitoh ;
        family[1] = tomoko ;
        for( int i = 0 ; i < 2 ; i++ )
            family[ i ].print() ;
    }
}こ

このプログラムのデータ構造は下記のような状態。

抽象クラス(純粋仮想基底クラス)

前回説明した仮想関数では、基底クラスから派生させたクラスを作り、そのデータが混在してもクラスに応じた関数(仮想関数)を呼び出すことができる。

この仮想関数の機能を逆手にとったプログラムの記述方法として、抽象クラス(純粋仮想基底クラス)がある。その使い方を説明する。

JavaのGUIにおける派生の使い方

先週の講義では、派生を使ったプログラミングは、GUI で使われていることを紹介したが、例として Java のプログラミングスタイルを少し紹介する。

例えば、Java で アプレット(ブラウザの中で動かすJavaプログラム)を作る場合の、最小のサンプルプログラムは、以下のようになる。

import java.applet.Applet; // C言語でいうところの、Applet 関連の処理を include
import java.awt.Graphics;

public class App1 extends Applet {  // Applet クラスから、App1 クラスを派生
    public void paint(Graphics g) { // 画面にApp1を表示する必要がある時に呼び出される。
        g.drawString("Hello World." , 100 , 100);
    }
}

この例では、ブラウザのGUIを管理する Applet クラスから、App1 というクラスを派生(extendsキーワード)し、App1 固有の処理として、paint() メソッドを定義している。GUI のプログラミングでは、本来ならマウスが押された場合の処理などを記述する必要があるが、このプログラムでは paint() 以外何も書かれていない。これはマウス処理などは、基底クラスのAppletのマウス処理が継承されるので、省略してもうまく動くようになっている。

このように、派生クラスの継承機能を使うことで、雑多な処理を基底クラスですべて書くようにすれば、同じようなデータ型が出てくる場合プログラムを書く手間を減らすことができる。

抽象クラス(純粋仮想基底クラス)

抽象クラス(純粋仮想基底クラス)とは、見かけ上はデータを何も持たないクラスであり、本来なら意味がないデータ構造となってしまう。しかし、派生クラスで要素となるデータと仮想関数で機能を与えることで、基底クラスという共通部分から便利な活用ができる。(実際には、型を区別するための型情報を持っている)

例えば、C言語であれば一つの配列に、整数、文字列、実数といった異なる型のデータを記憶させることは本来ならできない。しかし、以下のような処理を記載すれば、可能となる。

C言語では、1つの記憶域を共有するために共用体(union)を使うが、C++では仮想関数が使えるようになり、型の管理をプログラマーが行う必要のある「面倒で危険な」共用体を使う必要はなくなった。

// 純粋仮想基底クラス
class Object {
public:
   virtual void print() const = 0 ;
   // 中身の無い純粋基底クラスで、
   // 仮想関数を記述しない時の書き方。
} ;

// 整数データの派生クラス
class IntObject : public Object {
private:
   int data ;
public:
   IntObject( int x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%d\n" , data ) ;
   }
} ;

// 文字列の派生クラス
class StringObject : public Object {
private:
   char data[ 100 ] ;
public:
   StringObject( const char* s ) {
      strcpy( data , s ) ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%s\n" , data ) ;
   }
} ;

// 実数の派生クラス
class DoubleObject : public Object {
private:
   double data ;
public:
   DoubleObject( double x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%lf\n" , data ) ;
   }
} ;

// 動作確認
int main() {
   Object* data[3] = {
      new IntObject( 123 ) ,
      new StringObject( "abc" ) ,
      new DoubleObject( 1.23 ) ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) { // 123
      data[i]->print() ;            // abc
   }                                // 1.23 と表示
   return 0 ;
} ;

このプログラムでは、純粋仮想基底クラスObjectから、整数IntObject, 文字列StringObject, 実数DoubleObject を派生させ、そのデータを new により生成し、Objectの配列に保存している。

仮想関数を使うと、Object型の中に自動的に型情報が保存されるようになる。一般的な実装では、各派生クラス用の仮想関数のポインタテーブル(vtable)へのポインタが使われる。

Javaなどのオブジェクト指向言語では、全てのクラス階層のスーパークラスとして、Object を持つように作られている。

様々な型に適用できるプログラム

次に、抽象クラス(純粋仮想基底クラス)の特徴を応用したプログラムの作り方を説明する。

例えば、以下のような最大選択法で配列を並び替えるプログラムがあったとする。

int a[5] = { 11, 55, 22, 44, 33 } ;

void my_sort( int array[] , int size ) {
   for( int i = 0 ; i < size - 1 ; i++ ) {
      int max = i ;
      for( int j = i + 1 ; j < size ; j++ ) {
         if ( array[j] > array[max] )
            max = j ;
      }
      int tmp = array[i] ;
      array[i] = array[max] ;
      array[max] = tmp ;
   }
}
int main() {
   my_sort( a , 5 ) ;
}

しかし、この整数を並び替えるプログラムがあっても、文字列の並び替えや、実数の並び替えがしたい場合には、改めて文字列用並び替えの関数を作らなければいけない。しかも、ほとんどが同じような処理で、改めて指定された型のためのプログラムを作るのは面倒である。

C言語のデータの並び替えを行う、qsort() では、関数ポインタを用いることで、様々なデータの並び替えができる。しかし、1件あたりのデータサイズや、データ実体へのポインタを正しく理解する必要がある。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int a[ 4 ] = { 11, 33, 22, 44 } ;
double b[ 3 ] = { 1.23 , 5.55 , 0.11 } ;
// 並び替えを行いたいデータ専用の比較関数を作る。
// a>bなら+1, a=bなら0, a<bなら-1を返す関数
int cmp_int( int* pa , int* pb ) { // int型用コールバック関数
   return *pa - *pb ;
}
int cmp_double( double* pa , double* pb ) { // double型用コールバック関数
   if ( *pa == *pb )
      return 0 ;
   else if ( *pa > *pb )
      return 1 ;
   else
      return -1 ;
}
int main() {                                   // C言語の怖さ
   qsort( a , 4 , sizeof( int ) ,              //   このあたりの引数を書き間違えると
          (int(*)(void*,void*)) cmp_int ) ;    //   とんでもない目にあう。
   qsort( b , 3 , sizeof( double ) ,
          (int(*)(void*,void*)) cmp_double ) ;
} 

このように、自分が作っておいた関数のポインタを、関数に渡して呼び出してもらう方法は、コールバックと呼ぶ。
JavaScript などの言語では、こういったコールバックを使ったコーディングがよく使われる。

// コールバック関数 f を呼び出す関数
function exec_callback( var f ) {
   f() ;
}
// コールバックされる関数 foo()
function foo() {
   console.log( "foo()" ) ;
}
// foo() を実行する。
exec_callback( foo ) ;
// 無名関数を実行する。
exec_callback( function() {
                  console.log( "anonymous" ) ;
               } ) ;

任意のデータを並び替え

class Object {
public:
   virtual void print() const = 0 ;
   virtual int  cmp( Object* ) = 0 ;
} ;

// 整数データの派生クラス
class IntObject : public Object {
private:
   int data ;
public:
   IntObject( int x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%d\n" , data ) ;
   }
   virtual int cmp( Object* p ) {
      int pdata = ((IntObject*)p)->data ;  // 本当はこのキャストが危険
      return data - pdata ;                //  ↓安全な実装したいなら↓
   }                                       // IntObject* pi = dynamic_cast<IntObject*>(p) ;
} ;                                        // return pi != NULL ? data - pi->data : 0 ;

// 文字列の派生クラス
class StringObject : public Object {
private:
   char data[ 100 ] ;
public:
   StringObject( const char* s ) {
      strcpy( data , s ) ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%s\n" , data ) ;
   }
   virtual int cmp( Object* p ) {
      char* pdata = ((StringObject*)p)->data ;
      return strcmp( data , pdata ) ; // 文字列比較関数
   }
} ;

// 実数の派生クラス
class DoubleObject : public Object {
private:
   double data ;
public:
   DoubleObject( double x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%lf\n" , data ) ;
   }
   virtual int cmp( Object* p ) {
      double pdata = ((DoubleObject*)p)->data ;
      if ( data == pdata )
         return 0 ;
      else if ( data > pdata )
         return 1 ;
      else
         return -1 ;
   }
} ;

// Objectからの派生クラスでcmp()メソッドを
//   持ってさえいれば、どんな型でもソートができる。
void my_sort( Object* array[] , int size ) {
   for( int i = 0 ; i < size - 1 ; i++ ) {
      int max = i ;
      for( int j = i + 1 ; j < size ; j++ ) {
         if ( array[j]->cmp( array[max] ) > 0 )
            max = j ;
      }
      Object* tmp = array[i] ;
      array[i] = array[max] ;
      array[max] = tmp ;
   }
}
// 動作確認
int main() {
   Object* idata[3] = {
      new IntObject( 11 ) ,
      new IntObject( 33 ) ,
      new IntObject( 22 ) ,
   } ;
   Object* sdata[3] = {
      new StringObject( "abc" ) ,
      new StringObject( "defghi" ) ,
      new StringObject( "c" ) ,
   } ;
   my_sort( idata , 3 ) ; // 整数のソート
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
      idata[i]->print() ;
   my_sort( sdata , 3 ) ; // 文字列のソート
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
      sdata[i]->print() ;
   return 0 ;
} ;

このような方式でプログラムを作っておけば、新しいデータ構造がでてきてもソートのプログラムを作らなくても、比較専用の関数 cmp() を書くだけで良い。

ただし、この並び替えの例では、Object* を IntObject* に強制的に型変換している。

また、このプログラムでは、データを保管するために new でポインタを保管し、データの比較をするために仮想関数の呼び出しを行うことから、メモリの使用効率も処理効率でもあまりよくない。

こういう場合、最近の C++ ではテンプレート機能が使われる。

template <typename T>
void my_sort( T a[] , int size ) {
  for( int i = 0 ; i < size - 1 ; i++ ) {
    int max = i ;
    for( int j = i + 1 ; j < size ; j++ ) { if ( a[j] > a[max] )
        max = j ;
    }
    T  tmp = a[i] ;
    a[i] = a[max] ;
    a[max] = tmp ;
  }
}

int main() {
  int idata[ 5 ] = { 3, 4, 5 , 1 , 2 } ;
  double fdata[ 4 ] = { 1.23 , 0.1 , 3.4 , 5.6 } ;

  // typename T = int で int::mysort() が作られる
  my_sort<int>( idata , 5 ) ;
  for( int i = 0 ; i < 5 ; i++ )
    printf( "%d " , idata[i] ) ;
  printf( "\n" ) ;

  // typename T = double で double::mysort() が作られる
  my_sort<double>( fdata , 4 ) ;
  for( int i = 0 ; i < 4 ; i++ )
    printf( "%lf " , fdata[i] ) ;
  printf( "\n" ) ;
  return 0 ;
}

C++のテンプレート機能は、my_sort( int[] , int ) で呼び出されると、typename T = int で、整数型用の my_sort() の処理が自動的に作られる。同じく、my_sort( double[] , int ) で呼び出されると、typename = double で 実数型用の my_sort() が作られる。

テンプレート機能では、各型用のコードが自動的に複数生成されるという意味では、出来上がったコードがコンパクトという訳ではない。

仮想関数レポート課題

ここで示したプログラムを参考に、独自のデータ(例えば、複素数のデータや名前と誕生日といったデータ)について、my_sort() などで並び替えるプログラムを作成せよ。並び替える時の順序も、各自て定義すればいい。(複素数なら絶対値順とか、名前と誕生日なら、誕生日順とか)

レポートの提出先はこちら

実数の取り扱いと誤差

実数型(float / double)

実数型は、単精度実数(float型)と、倍精度実数(double型)があり、それぞれ32bit,64bitでデータを扱う。

指数表現は、大きい値や小さい値を表現する場合に使われ、物理などで1.2345×10-4といった、仮数×基数指数で表現する方法。数学や物理では基数に10を用いるが、コンピュータの世界では基数を2とすることが多い。

単精度型(float)では、符号1bit,指数部8bit,仮数部23bitで値を覚え、数値としては、以下の値を意味する。

符号✕ 1.仮数部 ✕ 2(指数数部-127)

符号部は、正の値なら0, 負の値なら1 を用いる。

仮数部が23bitなので、有効桁(正しい桁の幅)は約7桁となる。

例えば、float型で扱える最大数は、以下のようになる。

0,1111,1111,111,1111,1111,1111,1111,1111 = 1.1111…×2128 2129 1038

float 型は、計算精度が低いので 通常の数値計算のプログラミングではあまり使われることはない。一方で、ゲームなどの3次元座標計算などでは、精度は必要もないことから、GPU(グラフィックス専用のプロセッサ)では float 型を使うことも多い。また、最近の機械学習のプログラミングでは、神経の動きをまねた計算(ニューラルネットワークプログラミング)が行われるが、これも精度はあまり高くなくてもいいので float 型を使うことも多く、グラフィックス用の GPU で float 型で機械学習の計算を行うことも多い。

倍精度型(double)では、符号1bit,指数部11bit,仮数部52bitで値を覚え、数値としては、以下の意味を持つ。

符号✕ 1.仮数部 ✕ 2(指数部-1023)

これらの実数で計算を行うときには、0.00000001011×210といった値の時に、仮数部に0が並んだ状態を覚えると、計算の精度が低くなるので、1.01100000000×22のように指数部の値を調整して小数点の位置を補正しながら行われる。

double型の場合、52bit=10進数16桁相当の有効桁、最大数で、1.1111…×2102410308

倍精度型を使えば、正しく計算できるようになるかもしれないが、実数型はただの加算でも仮数部の小数点の位置を合わせたりする処理が必要で、浮動小数点専用の計算機能を持っていないような、ワンチップコンピュータでは整数型にくらべると10倍以上遅い場合もある。

実数の注意点

C言語でプログラムを作成していて、簡単な数値計算のプログラムでも動かないと悩んだことはないだろうか?解らなくて友達のプログラムを真似したら動いたけど、なぜ自分のプログラムは動かなかったのか深く考えたことはあるだろうか?

単純な合計と平均

整数を入力し、最後に合計と平均を出力するプログラムを以下に示す。
しかし、C言語でこのプログラムを動かすと、10,10,20,-1 と入力すると、合計(sum)40,件数(cnt)3で、平均は13と表示され、13.33333 とはならない。

小数点以下も正しく表示するには、どうすればいいだろうか?
ただし、変数の型宣言を “double data,sum,cnt ;” に変更しないものとする。

// 入力値の合計と平均を求める。
#include <stdio.h>

int main() {
   int data ;
   int sum = 0 ;
   int cnt = 0 ;
   for(;;) {
      printf( "数字を入力せよ。-1で終了¥n" ) ;
      scanf( "%d" , &data ) ;
      if ( data < 0 )
         break ;
      cnt = cnt + 1 ;
      sum = sum + data ;
   }
   printf( "合計 %d¥n" , sum ) ;
   printf( "平均 %d¥n" , sum / cnt ) ;
}

C言語では、int型のsum / int型のcnt の計算は、int 型で計算を行う(小数点以下は切り捨てられる)。このため、割り算だけ実数で行いたい場合は、以下のように書かないといけない。

   printf( "平均 %lf¥n" , (double)sum / (double)cnt ) ;
   // (double)式 は、sum を一時的に実数型にするための型キャスト

まずは動く例

以下のプログラムは、見れば判るけど、th を 0度〜360度まで5度刻みで変化させながら、y = sin(th) の値を表示するプログラム。

// sin の値を出力
#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main() {
    double th , y ;
    for( th = 0.0 ; th <= 360.0 ; th += 5.0 ) {
        y = sin( th / 180.0 * 3.1415926535 ) ;
        printf( "%lf %lf¥n" , th , y ) ;
    }
    return 0 ;
}

動かないプログラム

では、以下のプログラムはどうだろうか?

// case-1 ---- プログラムが止まらない
#define PI 3.1415926535
int main() {
    double th , y ;
    // 0〜πまで100分割でsinを求める
    for( th = 0.0 ; th != PI ; th += PI / 100.0 ) {
        y = sin( th ) ;
        printf( "%lf %lf¥n" , th , y ) ;
    }
    return 0 ;
}
// case-2 ---- y の値が全てゼロ
int main() {
    int    th ;
    double y ;
    for( th = 0 ; th <= 360 ; th += 5 ) {
        y = sin( th / 180 * 3.1415926535 ) ;
        printf( "%d %lf¥n" , th , y ) ;
    }
    return 0 ;
}

どちらも、何気なく読んでいると、動かない理由が判らないと思う。そして、元のプログラムと見比べながら、case-1 では、「!=」を「<=」に書き換えたり、case-2 では、「int th ;」を「double th ;」に書き換えたら動き出す。

では何が悪かったのか…
回答編


数値と誤差

コンピュータで計算すると、計算結果はすべて正しいと勘違いをしている人も多い。ここで、改めて誤差について考える。特に、計器で測定した値であれば、測定値自体に誤差が含まれている。

こういった誤差が含まれる数字を扱う場合注意が必要である。例えば実験値を手書きで記録する場合、12.3 と 12.300 では意味が異なる。測定値であやふやな桁を丸めたのであれば、前者は 12.2500〜12.3499… の間の値であり有効数字3桁である。後者は、12.2995〜12.300499… の間の値であり、有効数字5桁である。このため、誤差が含まれる数字の加算・減算・乗算・除算では注意が必要である。

加減乗除算の場合

加減算であれば小数点の位置を揃え、誤差が含まれる桁は有効桁に含めてはいけない。

上記の計算では、0.4567の0.0567の部分は意味がないデータとなる。(情報落ち)

乗除算であれば、有効桁の少ない値と有効桁の多い値の計算では、有効桁の少ない方の誤差の影響が計算結果に出てくるため、通常は、有効桁5桁と2桁の計算であれば、乗除算結果は少ない2桁で書くべきである。

桁落ち

有効桁が大きい結果でも、減算が含まれる場合は注意が必要である。

例えば、以下のような計算では、有効桁7桁どうしでも、計算結果の有効桁は3桁となる。

このような現象は、桁落ちと呼ばれる。

演習問題(4回目)

こちらのフォルダに示す、Excel の表で、有効桁を考えてもらうための演習問題(ランダムに値が作られます)を有効数字を考えながら計算し、答えをレポートにまとめてください。例を以下に示す。

レポートは、こちらのひな型をベースに作成し(手書きノートをキャプチャした資料でもOKです)、同じフォルダに提出してください。

 

Surface GO に Ubuntu 24.04 をインストール

仕事で使っていた Surface Go だけど、最近は処理速度も「もっさり」で使う機会もほぼなく、Ubuntu 24.04 をインストールを試してみる。ブートメディアで Type-C USB を購入し Rufus で イメージファイルを書き込む。

BitLockerの解除から

ひとまず、Try モードで起動もできたし、本気のインストールを試そうとしたら、BitLocker で暗号化されているとの表示。暗号化解除をしようと再起動したら、BitLocker キーの催促画面。はて、なんだっけ。

学校のアカウントでデバイスを探したら普通に キーが見つかったので、解除。といっても時間かかるなぁ…

{CAPTION}Surface Go では「vol-長押ししながら電源」でブートメニューを出すとあるが、上手くいかなかった。仕方がないのでWindowsで「回復」機能でブートメニューを起動させた。
{CAPTION}
{CAPTION}

OneNoteの起動用アイコン

snap を使っていろいろな最新アプリも使うことができるが、Microsoft OneNote が起動できなかった。手作業で起動しようとすると、「うまく起動できない場合は –no-sabdbox のオプションをつけるといいかも」みたいな説明が出る。ということで、デスクトップに下記のファイルを置いて対応。

#!/usr/bin/env xdg-open
[Desktop Entry]
Terminal=false
Type=Application
Name=Microsoft OneNote
Icon=/snap/onenote-desktop/current/meta/gui/icon.png
Exec=/snap/onenote-desktop/current/onenote-desktop --no-sandbox

ひとまず設定完了

情報構造論のレポート課題

情報構造論の前期中間までのレポートとして、自分の理解力に応じて下記課題の1つを選んで回答せよ。ポインタや文字列操作の練習を目的とするため、言語はC言語,C++にて行うこと。

  1. 入力の中の特定文字列ABCを、別の文字列DEFGに変換して出力したい。ABCやDEFGの文字列は最初に与える。
    最初の2行で、変換元ABCと変換後DEFGで与えられ、その後に複数行の入力が続くものとする。

    • 変換元,変換後の文字列は、空白を含まない50文字以内の文字。複数行の入力は10文字以内、1行は200文字以内とする。
    • 入力例と変換例
    orange  (変換元)
    apple   (変換後)
    I like an orange.
    He likes a pineapple.
    
    I like an apple.
    He likes a pineapple.
  2.  URLが複数行入力として与えられる。最初にすべての入力行を配列に格納した後、URLの中のドメイン名部分は大文字小文字の区別がないので、ドメイン名部分だけ小文字に修正し、その結果を表示せよ。
    • URLは10行以内、URLの1行は200文字以内とする。
    • 変換例
      • http://HOGE.jp/FUGA.html → http://hoge.jp/FUGA.html
      • https://www.Google.co.jp/search?q=FOO+BAR
        → https://www.google.co.jp/search?q=FOO+BAR

  3. プログラムのソースコードが入力として与えられる。最初にすべての入力行を配列に格納した後、プログラム中のキーワード(int, char, if, while, など)だけを大文字に変換して出力するプログラムを作成せよ。(難易度高いので注意)
    • プログラムは10行以内。1行は200文字以内とする。
    • 変換例
      • int a = 123 ; → INT a = 123 ;
      • for( int form = 0 ; form < 10 ; form++ ) printf( “int = %d\n” , form ) ; // if
        → FOR( INT form = 0 ; form < 10 ; form++ ) printf( int = %d\n” , form ) ; // if

        • formはキーワードではない。
        • “int…”は、C言語の文字列内なのでキーワードではない。(オプション)
        • /*…*/ , // のコメント内の if はキーワードではない。(オプション)

レポートには、下記の点を記載してあること。

  • プログラムリスト
  • 説明(コメントや解説)
  • 動作検証とその結果
  • 考察(自分のプログラムの問題点)

C言語での文字列処理に便利な標準関数<string.h>

  • strlen( str ) : 文字列の長さを数える。文字列末尾文字NUL ‘\0’ までの文字数
  • strcpy( dest , src ) : 文字列をコピー。
  • strcmp( s1 , s2 ) : 文字列を比較(辞書順で s1<s2 なら負の値, s1=s2 なら0, s1>s2 なら正の値を返す)
  • strncmp( s1 , s2 , n ) : 文字列を指定した長さ n までで比較。

文字判定に便利な標準関数<ctype.h>

  • isalpha( c ) : 文字 c が英字(A-Z or a-z)、isdigit( c ) : 文字 c が数字(0-9)

レポートの提出先はこちら

プログラム言語(C言語)の基礎

学際科目の情報制御基礎において、学科間でプログラミングの初歩の理解差があるので、簡単なC言語プログラミングの基礎の説明。

Hello World

“Hello World”と表示するだけのC言語プログラムは以下のようになる。

// コメントの書き方1              // "//"で始まる行は、プログラムの説明(コメント)
/* コメントの書き方2 */           // "/*"から"*/"で囲まれる範囲もコメント
#include <stdio.h>             // #で始まる行はプリプロセッサ行
                               // stdio.h には、入出力関数の説明が書いてある
int main() {                   // 一連の処理の塊を関数と呼ぶ。
                               // C言語では main() 関数を最初に実行する。
   printf( "Hello World\n" ) ; // printf() は、以下の物を表示する関数。
                               // "\n"は、文字を出力して改行するための特殊文字
   return 0 ;                  // main() 関数が、正常終了したことを意味する
}                              // 0 を返り値として返す。

#include <…>“のプリプロセッサ行は、最初のうちは解りにくいので、「これを書かないとダメ…」と思っていればいい。

#include <stdio.h> は、別ファイル(ヘッダファイル) stdio.h に記載されているプログラムリストを読み込む機能。
stdio.h には、printf() や scanf() などの基本的な関数や定数などの情報が記載されている。

C言語の基本的な命令(文)は、”;”で終わる。(単文)
複数の処理をまとめる場合には、”{“から”}”の中に、複数の文を書き並べる。(複文)

関数とは、複数の処理をひとまとめにした、処理の「かたまり」と思えばいい。

関数の型 関数名( 仮引数 ... ) {
   処理1 ... ;
   処理2 ... ;
}

printf() の 文字列中の”\n”(あるいは”¥n”)は、改行を意味する。
「\:バックスラッシュ」は、日本語環境では「¥:円記号」で入力・表示することが多い。

Paiza.io で動かしてみよう

C言語を本格的に使いたいなら、Microsoft Visual Studio などをインストールして使う方が便利だが、情報制御基礎で説明する程度のプログラムなら、Paiza.io が便利。ブラウザの画面で簡単にプログラムの動作を確認することができる。https://paiza.io/jaにアクセスして、上述の Hello World を動かしてみよう。

変数と代入

#include <stdio.h>
#include <math.h>            // 数学関数を使う 平方根 sqrt() を使っている
int main() {
   // 変数の宣言
   int    i ;                // 符号付き32bit変数 i の宣言
   int    a = 123 , j ;      // a を 123 で初期化 , j も整数型
   float  x ;                // 単精度実数の x を宣言
   double y = 1.234 , z ;    // 倍精度実数の y を宣言し 1.234 で初期化,
                             // z も倍精度実数
   // 変数への代入
   i = 1 ;                   // i に 1 を代入
   i = 12 + 2 * a ;          // 12+2*a を代入 a は123なので、
                             //   iには、258 が入る。
   x = sqrt( 2.0 ) ;         // x に 2.0 の平方根(1.4142)を代入
   z = y * 2.0 + x * 3.0 ;   // y*2+x*3をzに代入

   // 変数の内容の表示
   printf( "%d\n" , i ) ;    // 整数型(%d)で、    i の値を表示
   printf( "%f\n" , x ) ;    // 単精度実数(%f) で、x の値を表示
   printf( "%lf\n" , z ) ;   // 倍精度実数(%lf)で、z の値を表示

   printf( "iの値は%d,xの値は%lfです。\n" , i , x ) ;

   return 0 ;                // 正常終了 0 を返す
}

変数(計算結果を格納する入れ物)を使う場合は、変数を宣言する。
変数名には、何が入っているのか理解しやすいように、名前をつければいい。(英字で始まり、英数字が続くもの,_が入ってもいい)

変数に値を記憶する時は、”変数名=式 ;”の様に書くと、代入演算子”=” の右辺を計算し、その計算結果が左辺の変数に保存される。

変数の内容を表示する時には、printf() の文字列の中に、%d,%f,%lf などの表示したい式の型に応じたものを書いておく。%d=int型 , %f=float型 , %lf=double型
式の値が、その %.. の部分に書き込まれて、出力される。

繰り返しの制御命令

最も基礎的な繰り返し命令として、for() 文を説明。

#include <stdio.h>
int main() {
   int i ;
   for( i = 1 ; i <= 10 ; i++ ) {     // iを1から10まで変化させる。
      printf( "%d %d\n" , i , i*i ) ; // i と iの二乗を表示
   }
   return 0 ;
}

for文の意味を説明するために、対応するフローチャートを示す。

先のプログラムをフローチャートで示し、その命令の実行順序と、その変数の変化を下図に示す。

練習問題1

簡単なプログラミングの練習として、前回講義の練習問題をC言語で書いてみよう。

  • 電気電子工学科,電子情報工学科の学生は、出席番号が奇数は処理C,偶数は処理Dについて回答せよ。
  • それ以外の学科の学生は、出席番号が奇数は処理A,偶数は処理Bの結果について回答せよ。
  • 自分が考えたプログラムは、前述の Paiza.io や、自分のパソコンのC言語環境で入力し、動作結果も確認せよ。

制御構文とフローチャート

構文の入れ子

文と複文

C言語の文法で、{,} は複数の処理を連続して実行し、複文とよばれる。複数ので文を構成する。

これに対して、a = 123 ; といったセミコロンで終わる「処理 ;」は単文といい、1つの式で文となる。

制御構文のif文は、「if ( 条件 ) 文」で文となる。このため条件が満たされたときに実行する文が単文であれば、{,} は不要である。条件が満たされない場合の処理も記述するときには、「if ( 条件 ) 文 else 文」を使う。

// if文
if ( 条件 ) {
   a = 123 ;
}
if ( 条件 )
   a = 123 ; // 単文なら中括弧は不要

// if-then-else
if ( x >= 60 ) {
   printf( "合格点\n" ) ;
} else {
   printf( "不合格点\n" ) ;
}

同じように、「while(条件) 文」、「for(A,B,C) 文」、「do 文 while(条件) ;」も、それぞれ文を構成する。
{,} の複文は、{ 文 文 文… } のように、一連の文を実行し、それを1つの文として扱うための機能である。

// while 文
i = 0 ;
while( i < 10 ) {
   printf( "%d\n" , i ) ;
   i++ ;
}

// for 文
for( i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
   printf( "%d\n" , i ) ;
}

// do-while 文
i = 0 ;
do {
   printf( "%d\n" , i ) ;
   i++ ;
} while( i < 10 ) ;

練習問題2

プログラムの制御構造の確認として、以下の3つ(No.1,No.2,No.3)の問題から、
M科,C科,B科の学生は((自分の出席番号+1) % 2)+1 の問題、E科,EI科の学生は、((自分の出席番号+1) % 3)+1について、プログラムのフローチャートを描き、その処理がどのように進むのか答えよ。

レポートには、以下の点を記載すること。

  • フローチャート
  • 実行順序と変数の変化がわかる内容
  • (できれば、実際にプログラムを動かし、正しいことを検証すること)
// No.1 ---------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
int main() {
   int i , j ;
   for( i = 1 ; i <= 4 ; i++ ) {
      if ( i % 2 == 0 ) {  // i%2 は2で割った余り,i%2==0ならば偶数のとき
         for( j = 1 ; j <= 2 ; j++ )
            printf( "%d %d\n" , i , j ) ;
      }
   }
   return 0 ;
}
// No.2 ---------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
int main() {
   int x = 10 , y = 7 , s = 0 ;
   while( x > 0 ) {
      if ( x % 2 != 0 )
         s = s + y ;
      y = y * 2 ;
      x = x / 2 ;  // 注意: xは整数型      
   }
   printf( "%d\n" , s ) ;
   return 0 ;
}

// No.3 ---------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
int a[ 6 ] = { 2 , 3 , 5 , 8 , 13 , 21 } ; 
int main() {
   int left = 0 , right = 6 , mid ;
   int key = 13 ;
   while( right - left > 0 ) {
      mid = (left + right) / 2 ; // 整数型で計算
      printf( "%d\n" , a[ mid ] ) ;
      if ( a[ mid ] == key )
         break ;
      else if ( a[ mid ] > key )
         right = mid ;
      else
         left = mid + 1 ;
   }
   return 0 ;
}

派生と継承と仮想関数

前回の派生と継承のイメージを改めて記載する。

// 基底クラス
class Person {
private:
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
public:
   Person( const char s[] , int x )
     : age( x ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   void print() {
      printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
   }
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
public:
   Student( const char s[] , int x ,
            const char d[] , int g )
            : Person( s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
   {  // 追加された処理
      strcpy( dep , d ) ;
      grade = g ;
   }
   void print() {
      Person::print() ;       // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
      printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
   }
} ;
int main() {
   Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ; 
   saitoh.print() ; // 表示 t-saitoh 55
   yama.print() ;   // 表示 yamada 21
                    //      - ES 1
   nomu.print() ;   // 表示 nomura 22
   return 0 ;       //      - PS 2
}

このような処理でのデータ構造は、次のようなイメージで表される。

派生クラスでの問題提起

基底クラスのオブジェクトと、派生クラスのオブジェクトを混在してプログラムを記述したらどうなるであろうか?
上記の例では、Person オブジェクトと、Student オブジェクトがあったが、それをひとまとめで扱いたいこともある。

以下の処理では、Person型の saitoh と、Student 型の yama, nomu を、一つの table[] にまとめている。

int main() {
   Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;

   Person* table[3] = {
      &saitoh , &yama , &nomu ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
      table[ i ]->print() ;
   }
   return 0 ;
}

C++では、Personへのポインタの配列に代入する時、Student型ポインタは、その基底クラスへのポインタとしても扱える。ただし、このように記述すると、table[] には、Person クラスのデータして扱われる。

このため、このプログラムを動かすと、以下のように、名前と年齢だけが3人分表示される。

t-saitoh 55
yamada   21
nomura   22

派生した型に応じた処理

上記のプログラムでは、 Person* table[] に、Person*型,Student*型を混在して保存をした。しかし、Person*として呼び出されると、yama のデータを表示しても、所属・学年は表示されない。上記のプログラムで、所属と名前を表示することはできないのだろうか?

// 混在したPersonを表示
for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
   table[i]->print() ;
// Student は、所属と名前を表示して欲しい
t-saitoh 55
yamada 21
- ES 1
nomura 22
- PS 2

上記のプログラムでは、Person型では、後でStudent型と区別ができないと困るので、Person型に、Person型(=0)なのか、Student型(=1)なのか区別するための type という型の識別番号を追加し、type=1ならば、Student型として扱うようにしてみた。

// 基底クラス
class Person {
private:
   int  type ; // 型識別情報
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
public:
   Person( int tp , const char s[] , int x )
     : type( tp ) , age( x ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   int type_person() { return type ; }
   void print() {
      printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
   }
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
public:
   Student( int tp , const char s[] , int x ,
            const char d[] , int g )
            : Person( tp , s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
   {  // 追加された処理
      strcpy( dep , d ) ;
      grade = g ;
   }
   void print() {
      Person::print() ;       // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
      printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
   }
} ;
int main() {
   // type=0 は Person 型、type=1は Student 型
   Person saitoh( 0 , "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( 1 , "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( 1 , "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;

   Person* table[3] = {
      &saitoh , &yama , &nomu ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
      switch( table[i]->type_person() ) {
      case 0 :
         table[i]->print() ;
         break ;
      case 1 :
         // 強制的にStudent*型として print() を呼び出す。
         //   最近のC++なら、(static_cast<Student*>(table[i]))->>print() ;
         ((Student*)table[i])->print() ;
         break ;
      }
   }
   return 0 ;
}

しかし、このプログラムでは、プログラマーがこのデータは、Personなので type=0 で初期化とか、Studentなので type=1 で初期化といったことを記述する必要がある。

また、関数を呼び出す際に、型情報(type)に応じて、その型にふさわしい処理を呼び出すための switch 文が必要になる。

もし、派生したクラスの種類がいくつもあるのなら、(1)型情報の代入は注意深く書かないとバグの元になるし、(2)型に応じた分岐処理は巨大なものになるだろう。実際、オブジェクト指向プログラミングが普及する前の初期の GUI プログラミングでは、巨大な switch 文が問題となっていた。巨大な switch 文は、選択肢だけの if else-if else-if が並ぶと処理効率も悪い。

仮想関数

上記の、型情報の埋め込みと巨大なswitch文の問題の解決策として、C++では仮想関数(Virtual Function)が使える。

型に応じて異なる処理をしたい関数があったら、その関数の前に virtual と書くだけで良い。このような関数を、仮想関数と呼ぶ。

// 基底クラス
class Person {
private:
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
public:
   Person( const char s[] , int x )
     : age( x ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   virtual void print() {
      printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
   }
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
public:
   Student( const char s[] , int x ,
            const char d[] , int g )
            : Person( s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
   {  // 追加された処理
      strcpy( dep , d ) ;
      grade = g ;
   }
   virtual void print() {
      Person::print() ;       // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
      printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
   }
} ;
int main() {
   // type=0 は Person 型、type=1は Student 型
   Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;

   Person* table[3] = {
      &saitoh , &yama , &nomu ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
      table[i]->print() ;
   }
   return 0 ;
}

クラスの中に仮想関数が使われると、C++ では、プログラム上で見えないが、何らかの型情報をオブジェクトの中に保存してくれる。

また、仮想関数が呼び出されると、その型情報を元に、ふさわしい関数を自動的に呼び出してくれる。このため、プログラムも table[i]->print() といった極めて簡単に記述できるようになる。

関数ポインタ

仮想関数の仕組みを実現するためには、関数ポインタが使われる。

以下の例では、返り値=int,引数(int,int)の関数( int(*)(int,int) )へのポインタfpに、最初はaddが代入され、(*fp)(3,4) により、7が求まる。

int add( int a , int b ) {
   return a + b ;
}
int mul( int a , int b ) {
   return a * b ;
}
int main() {
   int (*fp)( int , int ) ;
   fp = add ;
   printf( "%d\n" , (*fp)( 3 , 4 ) ) ; // 3+4=7
   fp = mul ;
   printf( "%d\n" , (*fp)( 3 , 4 ) ) ; // 3*4=12

   int (*ftable[2])( int , int ) = {
      add , mul ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 2 ; i++ )
      printf( "%d\n" , (*ftable[i])( 3 , 4 ) ) ;
   return 0 ;
}

仮想関数を使うクラスが宣言されると、一般的にそのコンストラクタでは、各クラス毎の仮想関数へのポインタのテーブルが型情報として保存されるのが一般的。仮想関数の呼び出しでは、仮想関数へのポインタを使って処理を呼び出す。このため効率よく仮想関数を動かすことができる。

仮想関数の実装方法

仮想関数の一般的な実装方法としては、仮想関数を持つオブジェクトには型情報として仮想関数へのポインタテーブルへのポインタを保存する。この場合、仮想関数の呼び出しは、object->table[n]( arg… ) のような処理が行われる。

Webプログラミングとセキュリティ

ここまでの授業では、Webを使った情報公開で使われる、HTML , JavaScirpt , PHP , SQL などの解説を行ってきたが、これらを組み合わせたシステムを構築する場合には、セキュリティについても配慮が必要である。

今回は、初心者向けの情報セキュリティの講習で使われるCTFという競技の練習問題をつかって、ここまで説明してきた Web の仕組みを使ったセキュリティの問題について解説を行う。

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