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複素数クラスのプログラム例への質問
授業で扱った複素数クラスのプログラムについて、以下のようなプログラムだと、a.add( b ) を実行すると、a の値が書き換わる。このため、次に a.mul( b ) を実行すると、(3+j5) * (2+j3) を実行する。もっと直感的な結果になるように、a の値が書き換わらないようにできないのか？ といった趣旨の質問があった。
class Complex {
private:
double re , im ;
public:
Complex( double r , double i ) : re( r ) , im( i ) {}
void print() { printf( "%f+j%f\n" , re , im ) ; }
void add( Complex z ) {
re = re + z.re ;
im = im + z.im ;
}
void mul( Complex z ) {
double r = re * z.re - im * z.im ;
double i = re * z.im + im * z.re ;
re = r ;
im = i ;
}
} ;
int main() {
Complex a( 1 , 2 ) , b( 2 , 3 ) ;
a.add( b ) ; // a = a + b ;
a.print() ; // 3 + j5
a.mul( b ) ; // a = a * b ; ← aの値はすでに3+j5に変わった後
a.print() ; // (6-15) + j(10+9) = -9+j19
}
a の値が書き換わらないようにしたいのなら、以下のようなコードになるだろう。
対象オブジェクトを変化させない書き方
class Complex {
:
Complex add( Complex z ) {
return Complex( re + z.re , im + z.im ) ;
}
Complex mul( Complex z ) {
return Complex( re * z.re - im * z.im , // Complex オブジェクトを作って
re * z.im + im * z.re ) ; // 返り値として返す。
}
} ;
int main() {
Complex a( 1 , 2 ) , b( 2 , 3 ) ;
a.add( b ).print() ; // 3+j5
a.mul( b ).print() ; // (2-6)+j(3+4) = -4+j7
}
ただ、このコードは、add() や mul() が Complex オブジェクトを作って返り値を返すが、その新しいオブジェクトはどのように呼び出し側に返されるのか？誰が廃棄するの？ といった点で、単純なC言語の知識だけでは動作を理解しづらいことから、最初のコードにて説明を行った。でも、後者の方が計算結果のイメージは直感的だし、return コンストラクタ(…) の書き方に慣れてしまえば、プログラムも読みやすい!!
const メソッドとオブジェクトの参照渡し
前者のプログラムは、add() により 対象オブジェクトに副作用が発生する。後者は対象オブジェクトは変化しない。メソッドを呼び出す際にも、対象オブジェクトに副作用が発生しないことを明示したconstメソッドとして定義することで、オブジェクトを間違って破壊することから守ることもできる。
また、add() , mul() の引数は void add( Complex z ) {…} のような書き方では値渡しが行われる。つまり、メソッド呼び出し時点で実引数を仮引数にコピーする処理が発生する。このため、処理効率を考えるとポインタ渡し(参照渡し)の方がムダなコピーが発生しない。
一方で、参照渡しを行うと、ポインタを経由して引数に副作用を及ぼすことも可能となるため、参照渡しに const 宣言をつけることで、引数によるオブジェクト破壊を防ぐことができる。
class Complex {
private:
double re , im ;
public:
Complex( double r , double i ) : re( r ) , im( i ) {}
void print() const { // 表示だけで副作用は発生しない
printf( "%f+j%f\n" , re , im ) ;
}
Complex add( const Complex & z ) const { // 対象オブジェクトは変化しない
// ~~~~~ ~~~ ~~~~~
// zに副作用なし 参照渡 constメソッド
return Complex( re + z.re , im + z.im ) ;
}
Complex mul( const Complex & z ) const {
return Complex( re * z.re - im * z.im ,
re * z.im + im * z.re ) ;
}
} ;
int main() {
Complex a( 1 , 2 ) , b( 2 , 3 ) ;
a.add( b ).print() ; // 3+j5
a.mul( b ).print() ; // (2-6)+j(3+4) = -4+j7
}
オブジェクト指向/2022/ガイダンス
専攻科2年のオブジェクト指向プログラミングの授業の1回目。
最近のプログラミングの基本となっているオブジェクト指向について、その機能についてC++言語を用いて説明し、後半では対象(オブジェクト)をモデル化して設計するための考え方(UML)について説明する。
評価は、3つの課題と最終テストを各25%づつで評価を行う。
オブジェクト指向プログラミングの歴史
最初のプログラム言語のFortran(科学技術計算向け言語)の頃は、処理を記述するだけだったけど、 COBOL(商用計算向け言語)ができた頃には、データをひとまとめで扱う「構造体」(C言語ならstruct {…}の考えができた。(データの構造化)
// C言語の構造体
struct Person { // 1人分のデータ構造をPersonとする
char name[ 20 ] ; // 名前
int b_year, b_month, b_day ; // 誕生日
} ;
一方、初期のFortranでは、プログラムの処理順序は、繰り返し処理も if 文と goto 文で記載し、処理がわかりにくかった。その後のALGOLの頃には、処理をブロック化して扱うスタイル(C言語なら{ 文 … }の複文で 記述する方法ができてきた。(処理の構造化)
// ブロックの考えがない時代の雰囲気をC言語で表すと
int i = 0 ;
LOOP: if ( i >= 10 ) goto EXIT ;
if ( i % 2 != 0 ) goto NEXT ;
printf( "%d " , i ) ;
NEXT: i++ ;
goto LOOP ; // 処理の範囲を字下げ(インデント)で強調
EXIT:
---------------------------------------------------
// C 言語で書けば
int i ;
for( i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
if ( i % 2 == 0 ) {
printf( "%d¥n" , i ) ;
}
}
---------------------------------------------------
! 構造化文法のFORTRANで書くと
integer i
do i = 0 , 9
if ( mod( i , 2 ) == 0 ) then
print * , i
end if
end do
このデータの構造化・処理の構造化により、プログラムの分かりやすさは向上し、このデータと処理をブロック化した書き方は「構造化プログラミング(Structured Programming)」 と呼ばれる。
雑談
ここで紹介した、最古の高級言語 Fortran や COBOL は、今でも使われている。Fortran は、スーパーコンピュータなどで行われる数値シミュレーションでは、広く利用されている。また COBOL は、銀行などのシステムでもまだ使われている。しかしながら、新システムへの移行で COBOL を使えるプログラマーが定年を迎え減っていることから、移行トラブルが発生している。特に、CASEツール(UMLなどの図をベースにしたデータからプログラムを自動生成するツール)によって得られた COBOL のコードが移行を妨げる原因となることもある。
この後、様々なプログラム言語が開発され、C言語などもできてきた。 一方で、シミュレーションのプログラム開発(例simula)では、 シミュレーション対象(object)に対して、命令するスタイルの書き方が生まれ、 データに対して命令するという点で、擬人法のようなイメージで直感的にも分かりやすかった。 これがオブジェクト指向プログラミング(Object Oriented Programming)の始まりとなる。略記するときは OOP などと書くことが多い。
この考え方を導入した言語の1つが Smalltalk であり、この環境では、プログラムのエディタも Smalltalk で記述したりして、オブジェクト指向がGUIのプログラムと親和性が良いことから、この考え方は多くのプログラム言語へと取り入れられていく。
C言語にこのオブジェクト指向を取り入れ、C++が開発される。さらに、この文法をベースとした、 Javaなどが開発されている。最近の新しい言語では、どれもオブジェクト指向の考えが使われている。
この授業の中ではオブジェクト指向プログラミングにおける、隠蔽化, 派生と継承, 仮想関数 などの概念を説明する。
構造体の導入
C++でのオブジェクト指向は、C言語の構造体の表記がベースになっているので、まずは構造体の説明。詳細な配布資料を以下に示す。
// 構造体の宣言
struct Person { // Personが構造体につけた名前
char name[ 20 ] ; // 要素1
int phone ; // 要素2
} ; // 構造体定義とデータ構造宣言を
// 別に書く時は「;」の書き忘れに注意
// 構造体変数の宣言
struct Person saitoh ;
struct Person data[ 10 ] ;
// 実際にデータを参照 構造体変数.要素名
strcpy( saitoh.name , "t-saitoh" ) ;
saitoh.phone = 272925 ;
for( int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
scanf( "%d%s" , data[ i ].name , &(data[ i ].phone) ) ;
}
構造体に慣れていない人のための課題
- 以下に、C言語の構造体を使った基本的なプログラムを示す。このプログラムでは、国語,算数,理科の3科目と名前の5人分のデータより、各人の平均点を計算している。このプログラムを動かし、以下の機能を追加せよ。レポートには プログラムリストと動作結果の分かる結果を付けること。
- 国語の最低点の人を探し、名前を表示する処理。
- 算数の平均点を求める処理。
#include <stdio.h>
struct Student {
char name[ 20 ] ;
int kokugo ;
int sansu ;
int rika ;
} ;
struct Student table[5] = {
// name , kokugo , sansu , rika
{ "Aoyama" , 56 , 95 , 83 } ,
{ "Kondoh" , 78 , 80 , 64 } ,
{ "Saitoh" , 42 , 78 , 88 } ,
{ "Sakamoto" , 85 , 90 , 36 } ,
{ "Yamagosi" ,100 , 72 , 65 } ,
} ;
int main() {
int i = 0 ;
for( i = 0 ; i < 5 ; i++ ) {
double sum = table[i].kokugo + table[i].sansu + table[i].rika ;
printf( "%-10.10s %3d %3d %3d %6.2lf\n" ,
table[i].name , table[i].kokugo , table[i].sansu , table[i].rika ,
sum / 3.0 ) ;
}
return 0 ;
}
値渡し,ポインタ渡し,参照渡し
C言語をあまりやっていない学科の人向けのC言語の基礎として、関数との値渡し, ポインタ渡しについて説明する。ただし、参照渡しについては電子情報の授業でも細かく扱っていない内容なので電子情報系学生も要注意。
オブジェクト指向のプログラムでは、構造体のポインタ渡し(というよりは参照渡し)を多用するが、その基本となる関数との値の受け渡しの理解のため、以下に値渡し・ポインタ渡し・参照渡しについて説明する。
ポインタと引数
値渡し(Call by value)
// 値渡しのプログラム
void foo( int x ) { // x は局所変数(仮引数は呼出時に
// 対応する実引数で初期化される。
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124
// 処理後も main::a は 123 のまま。
foo( a ) ; // 124
return 0 ;
}
このプログラムでは、aの値は変化せずに、124,124 が表示される。ここで、関数 foo() を呼び出しても、関数に「値」が渡されるだけで、foo() を呼び出す際の実引数 a の値は変化しない。こういった関数に値だけを渡すメカニズムは「値渡し」と呼ぶ。
値渡しだけが使われれば、関数の処理後に変数に影響が残らない。こういった処理の影響が残らないことは一般的に「副作用がない」という。
大域変数を使ったプログラム
でも、プログラムによっては、124,125 と変化して欲しい場合もある。どのように記述すべきだろうか？
// 大域変数を使う場合
int x ;
void foo() {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
x = 123 ;
foo() ; // 124
foo() ; // 125
return 0 ;
}
しかし、このプログラムは大域変数を使うために、間違いを引き起こしやすい。大域変数はどこでも使える変数であり、副作用が発生して間違ったプログラムを作る原因になりやすい。
// 大域変数が原因で予想外の挙動をしめす簡単な例
int i ;
void foo() {
for( i = 0 ; i < 2 ; i++ )
printf( "A" ) ;
}
int main() {
for( i = 0 ; i < 3 ; i++ ) // このプログラムでは、AA AA AA と
foo() ; // 表示されない。
return 0 ;
}
ポインタ渡し(Call by pointer)
C言語で引数を通して、呼び出し側の値を変化して欲しい場合は、変更して欲しい変数のアドレスを渡し、関数側では、ポインタ変数を使って受け取った変数のアドレスの示す場所の値を操作する。(副作用の及ぶ範囲を限定する) こういった、値の受け渡し方法は「ポインタ渡し」と呼ぶ。
// ポインタ渡しのプログラム
void foo( int* p ) { // p はポインタ
(*p)++ ;
printf( "%d¥n" , *p ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( &a ) ; // 124
// 処理後 main::a は 124 に増えている。
foo( &a ) ; // 124
return 0 ; // さらに125と増える
}
ポインタを利用して引数に副作用を与える方法は、ポインタを正しく理解していないプログラマーでは、危険な操作となる。
参照渡し(Call by reference)
C++では、ポインタ渡しを極力使わないようにするために、参照渡しを利用する。ただし、ポインタ渡しも参照渡しも、機械語レベルでは同じ処理にすぎない。
// ポインタ渡しのプログラム void foo( int& x ) { // xは参照 x++ ; printf( "%d¥n" , x ) ; } int main() { int a = 123 ; foo( a ) ; // 124 // 処理後 main::a は 124 に増えている。 foo( a ) ; // 124 return 0 ; // さらに125と増える。 }
大きなプログラムを作る場合、副作用のあるプログラムの書き方は、間違ったプログラムの原因となりやすい。そこで関数の呼び出しを中心としてプログラムを書くものとして、関数型プログラミングがある。
値渡しとポインタ渡し
C言語をあまりやっていない学科の人向けのC言語の基礎として、関数との値渡し, ポインタ渡しについて説明する。ただし、参照渡しについては電子情報の授業でも細かく扱っていない内容なので電子情報系学生も要注意。
オブジェクト指向のプログラムでは、構造体のポインタ渡し(というよりは参照渡し)を多用するが、その基本となる関数との値の受け渡しの理解のため、以下に値渡し・ポインタ渡し・参照渡しについて説明する。
ポインタと引数
値渡し
// 値渡しのプログラム
void foo( int x ) { // x は局所変数(仮引数は呼出時に
// 対応する実引数で初期化される。
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124
// 処理後も main::a は 123 のまま。
foo( a ) ; // 124
return 0 ;
}
このプログラムでは、aの値は変化せずに、124,124 が表示される。
でも、プログラムによっては、124,125 と変化して欲しい場合もある。
どのように記述すべきだろうか？
// 大域変数を使う場合
int x ;
void foo() {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
x = 123 ;
foo() ; // 124
foo() ; // 125
return 0 ;
}
しかし、このプログラムは大域変数を使うために、間違いを引き起こしやすい。
// 大域変数が原因で予想外の挙動をしめす簡単な例
int i ;
void foo() {
for( i = 0 ; i < 2 ; i++ )
printf( "A" ) ;
}
int main() {
for( i = 0 ; i < 3 ; i++ ) // このプログラムでは、AA AA AA と
foo() ; // 表示されない。
return 0 ;
}
ポインタ渡し
C言語で引数を通して、呼び出し側の値を変化して欲しい場合は、変更して欲しい変数のアドレスを渡し、関数側では、ポインタ変数を使って受け取った変数のアドレスの示す場所の値を操作する。
// ポインタ渡しのプログラム
void foo( int* p ) { // p はポインタ
(*p)++ ;
printf( "%d¥n" , *p ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( &a ) ; // 124
// 処理後 main::a は 124 に増えている。
foo( &a ) ; // 124
return 0 ; // さらに125と増える
}
ポインタを利用して引数に副作用を与える方法は、ポインタを正しく理解していないプログラマーでは、危険な操作となる。C++では、ポインタ渡しを極力使わないようにするために、参照渡しを利用する。ただし、ポインタ渡しも参照渡しも、機械語レベルでは同じ処理にすぎない。
参照渡し
// ポインタ渡しのプログラム void foo( int& x ) { // xは参照 x++ ; printf( "%d¥n" , x ) ; } int main() { int a = 123 ; foo( a ) ; // 124 // 処理後 main::a は 124 に増えている。 foo( a ) ; // 124 return 0 ; // さらに125と増える。 }
構造体のポインタ渡し
ここまでの説明を踏まえ、構造体を使ったプログラムでは、構造体のポインタ渡しが一般的である。以下に、名前と年齢のデータを扱うプログラムを示す。
// 構造体のポインタ渡しのプログラム
struct Person {
int name[ 20 ] ;
int age ;
} ;
// 構造体にデータを代入するための関数
void set_Person( struct Person* p , char nm[] , int ag ) {
// ポインタ参照で書くと以下の通り
strcpy( (*p).name , nm ) ;
(*p).age = ag ;
// アロー演算子を使うとシンプルに書ける。
// strcpy( p->name , nm ) ;
// p->age = ag ;
}
// 構造体のデータを表示するための関数
void print_Person( struct Person* p ) {
printf( "%s %d¥n" , p->name , p->age ) ;
}
// 関数名さえ処理の意図がつたわる名前を使えば、
// 値をセットして、表示する...ぐらいは一目瞭然。
// 構造体の中身を知らなくても、関数の中身を知らなくても、
// やりたいことは伝わる。...隠蔽化
int main() {
struct Person tsaitoh ;
// tsaitohに set して、
set_Person( &tsaitoh , "t-saitoh" , 55 ) ;
// tsaitohを print する。
print_Person( &tsaitoh ) ;
return 0 ;
}
このプログラムでは、main() の部分だけを見ると、tsaitoh という Person というデータがあり、set_Person() で値をセットして、print_Person() で値を出力するという雰囲気は伝わる。
この main() であれば、Person の name が文字配列とか age が int 型といった情報は知らなくても使える。(データ構造の隠蔽化)
また、set_Person() や print_Person() もどんな関数を使って表示しているのかも知らなくてもいい。(手続きの隠蔽化)
これにより、Person というデータ構造やそれを扱う処理の中身を設計する人と、Person というデータを使う人でプログラム開発の分業ができる。さらに、プログラムで不具合があったときは、Personの内部が悪いのか、使い方が悪いのかの原因の切り分けも明確になる。
オブジェクト指向プログラミングに書き換え
// 構造体のポインタ渡しのプログラム
class Person {
private:
int name[ 20 ] ;
int age ;
public:
void set( char nm[] , int ag ) {
strcpy( name , nm ) ;
age = ag ;
}
void print() {
printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
}
} ; // ← この行の「；」に要注意
int main() {
Person tsaitoh ;
// tsaitohに set して、
tsaitoh.set( "t-saitoh" , 55 ) ;
// tsaitohを print する。
tsaitoh.print() ;
return 0 ;
}
値渡しとポインタ渡し
前回はWeb提示資料と課題でガイダンスを行ったが、今日は遠隔授業形式での初回。前回のガイダンス資料を前半ざっと流し、後半はC言語をあまりやっていない学科の人向けのC言語の基礎。ただし、参照渡しについては電子情報の授業でも細かく扱っていない内容なので電子情報系学生の人はそこだけ注意してね。
オブジェクト指向のプログラムでは、構造体のポインタ渡しを多用するが、その基本となる関数との値の受け渡しの理解のため、以下に値渡し・ポインタ渡し・参照渡しについて説明する。
ポインタと引数
値渡し
// 値渡しのプログラム
void foo( int x ) { // x は局所変数(仮引数は呼出時に
// 対応する実引数で初期化される。
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124
// 処理後も main::a は 123 のまま。
foo( a ) ; // 124
}
このプログラムでは、aの値は変化せずに、124,124 が表示される。
でも、プログラムによっては、124,125 と変化して欲しい場合もある。
どのように記述すべきだろうか？
// 大域変数を使う場合
int x ;
void foo() {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
void main() {
x = 123 ;
foo() ; // 124
foo() ; // 125
}
しかし、このプログラムは大域変数を使うために、間違いを引き起こしやすい。
// 大域変数が原因で予想外の挙動をしめす簡単な例
int i ;
void foo() {
for( i = 0 ; i < 2 ; i++ )
printf( "A" ) ;
}
void main() {
for( i = 0 ; i < 3 ; i++ ) // このプログラムでは、AA AA AA と
foo() ; // 表示されない。
}
ポインタ渡し
C言語で引数を通して、呼び出し側の値を変化して欲しい場合は、変更して欲しい変数のアドレスを渡し、関数側では、ポインタ変数を使って受け取った変数のアドレスの示す場所の値を操作する。
// ポインタ渡しのプログラム
void foo( int* p ) { // p はポインタ
(*p)++ ;
printf( "%d¥n" , *p ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( &a ) ; // 124
// 処理後 main::a は 124 に増えている。
foo( &a ) ; // 124
} // さらに125と増える。
ポインタを利用して引数に副作用を与える方法は、ポインタを正しく理解していないプログラマーでは、危険な操作となる。C++では、ポインタ渡しを使わないようにするために、参照渡しを利用する。
参照渡し
// ポインタ渡しのプログラム void foo( int& x ) { // xは参照 x++ ; printf( "%d¥n" , x ) ; } void main() { int a = 123 ; foo( a ) ; // 124 // 処理後 main::a は 124 に増えている。 foo( a ) ; // 124 } // さらに125と増える。
構造体のポインタ渡し
// 構造体のポインタ渡しのプログラム
struct Person {
int name[ 20 ] ;
int age ;
} ;
// 構造体にデータを代入するための関数
void set_Person( struct Person* p , char nm[] , int ag ) {
// ポインタ参照で書くと以下の通り
strcpy( (*p).name , nm ) ;
(*p).age = ag ;
// アロー演算子を使うとシンプルに書ける。
// strcpy( p->name , nm ) ;
// p->age = ag ;
}
// 構造体のデータを表示するための関数
void print_Person( struct Person* p ) {
printf( "%s %d¥n" , p->name , p->age ) ;
}
// 関数名さえ処理の意図がつたわる名前を使えば、
// 値をセットして、表示する...ぐらいは一目瞭然。
// 構造体の中身を知らなくても、関数の中身を知らなくても、
// やりたいことは伝わる。...隠蔽化
void main() {
struct Person tsaitoh ;
// tsaitohに set して、
set_Person( &tsaitoh , "t-saitoh" , 55 ) ;
// tsaitohを print する。
print_Person( &tsaitoh ) ;
}
引数渡しについて
オブジェクト指向の授業では他学科出身の人も多いので、引数渡しの理解が浅いことから、別途説明を行う。
値渡し、ポインタ渡し、参照渡し
構造体の使い方の話では、関数との構造体のデータ渡しでポインタなどが出てくるので、 値渡し・ポインタ渡し・参照渡しの説明。(参照渡しはC++で導入された考え方)
値渡し
C言語の基本は、値渡し。呼び出し側の実引数は、関数側の仮引数に値がコピーされる。 このため、呼び出し側の変数(下の例ではa)の中身は変化しない。 よって、関数の呼び出しで呼び出し側の変数が勝手に中身が変わらないので、予想外の変数の中身の変化が無く分かりやすい。
// 値渡し(call by value)の例
void foo( int x ) {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124が表示
foo( a ) ; // 124が表示
}
ポインタ渡し
しかし、上の例では、foo()の呼び出しで、変数aの中身が変化してくれたほうが都合が良い場合もある。 この場合は、C言語ではポインタを使って記述する。 このように、関数を呼び出して、手元の変数が変化することは、副作用と呼ばれる。 副作用の多いプログラムは、変数の値の管理がわかりにくくなるので、副作用は最小限に記述すべき。
// ポインタ渡し(call by pointer)の例
void foo( int *px ) {
(*px)++ ;
printf( "%d¥n" , (*px) ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( &a ) ; // 124が表示
foo( &a ) ; // 125が表示
}
参照渡し
しかし、ポインタを多用すると、ポインタを動かしてトラブルも増えることから、ポインタはあまり使わない方が良い。 そこで、C++では参照型というものがでてきた。
// 参照型(call by reference)の場合
void foo( int &x ) {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124が表示
foo( a ) ; // 125が表示
}
参照型は、ポインタを使っていないように見えるけれども、機械語レベルでみればポインタ渡しの命令を自動的に生成してくれるだけ。
