第81回 プログラミングについて『いまさらですがＣ言語の門を叩こう　その４~変数~』

　だんだんと話しが難しくなってきますが頑張って下さい。今回は変数についての話しです。前回は定数の話しをしましたが、定数があるのであれば変数があることについては疑問はないと思います。
　変数とは読んで字のごとく値の変わる数です。コンピュータ上ではこの変数がどのようになっているのかというと、前回の文字列定数のことを思い出してみて下さい。文字列定数はメモリー上に固定の文字列があってその番地が値でした。変数は（配列ではないもの）もこれと同じ様にメモリー上に可変の値があって、その値が変数の値そのものになります。

　Ｃ言語の変数は基本的には算術上の変数しかありません。文字や文字列専用の変数はないのです。不思議に思われる方もいると思いますが、これがＣ言語の特徴の１つなのです。文字や文字列も算術上の変数を代用することで、Ｃ言語自体を小さくまとめることができたといっても過言ではありません。

　Ｃ言語で扱える整数の変数には、１バイト、２バイト、４バイト、８バイト（処理系によります）のバイト数を使うものがあります。そして、それぞれに符号あり、符号なしの型があります。
　１バイトとは、コンピュータ上での値の最小単位であるビット（０と１の値しか持たない）が８つ集まったものです。昔は６ビットで１バイトというコンピュータもありましたが、確かＩＢＭが８ビットで１バイトというコンピュータを作ってからそれが当たり前のようになって現在に至っています。
　１ビットで表現できる数は、０と１だけです。２ビットだと、０～３までが表現できます。ということは、８ビットになると０～２５５までの値を表現することができるということになります。これでは負の値が表現できないので、通常最上位のビットを符号用のビットとし、ー１２８～１２７までの値を表現することにしています。同様に２バイトは１６ビットで表現できる値も大きくなります。
　これらをＣ言語では次の様に表現します。

　char　　　　　　符号ありの１バイトの整数の変数

　unsigned char　 符号なしの１バイトの整数の変数

　short　　　　　 符号ありの２バイトの整数の変数

　unsigned short　符号なしの２バイトの整数の変数

　int　　　　　　 符号ありの２または４バイトの整数の変数

　unsigned int　　符号なしの２または４バイトの整数の変数

　long　　　　　　符号ありの４または８バイトの整数の変数

　unsigned long　 符号なしの４または８バイトの整数の変数

int 型と long 型については処理系によって異なります。例えば、６４ビットのコンピュータであるＤＥＣ社のＡＸＰのものでは int が４バイトで、long が８バイトです。
　しかしながら、現在普及しているＷｉｎｄｏｗｓ９５のパソコンでは int 型も long 型も４バイトです。
　これらの変数はバイト数が違うので表現できる値の範囲が違っていても同じ性格の変数です。この中で１バイトの変数が文字や文字列を表現するときに都合がいいということで、それらの目的にも使用されるので char となっている様です。もし文字専用の型があったら char ではなく byte となっていたかも知れません。


　変数は次の様に定義します。

　int i;

この様に定義すると、コンパイラは機械語に翻訳するときにメモリー上に４バイトを確保する命令にするのです。そして、そのメモリー上の４バイトを整数の変数 i 専用に使用するのです。

□　□　□　□　□　□　□　□　□　□　□　□　□
　　　　　　　　　　｜-４バイト-｜
　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　 ５００番地

メモリー上にその４バイトが上の図のように確保されたとします。このとき変数 i のアドレスは５００番地で、値は０か不定のどちらかです。変数の初期値については後で説明します。
　プログラムの実行時には決して変数 i というものがあるのではないことに注意して下さい。変数 i というのはあくまでもＣ言語上でのことで、人間が理解しやすいように便宜的に付けただけの名前なのです。
　変数の宣言の方法は int 以外の型でも同じですので、

　char c;
　unsigned short s;

などとすれば定義することができます。

　ここで、各変数の定義の終わりにセミコロンが付けてあるのはＣ言語での１つの文の終わりを示す記号です。Ｃ言語は基本的にはセミコロン記号で１つの文の終わりを示すので、複数行にまたがるときには、

　char
　 c;
　unsigned
　　short
　　　　　s
　　　　　;

と書いても同じ意味になります。ＦＯＲＴＲＡＮなどでは１つの文は１行に記述することが基本ですので行の終わりを示す記号はなく、逆に次の行に継続するときに継続記号を使用します。どちらがいいのかは断言することはできません。あくまでも慣れの問題のような気もします。
　またＣ言語は１つの文の終了をセミコロンで示すので、１つの行に複数の文を記述することも可能です。

　char c; unsigned short s;

と書いても同じ意味になります。どのように記述するかは好みの問題かもしれません。

　実数の変数は４バイト、８バイト、１６バイト（処理系に依ります）のバイト数を使うものがありますが、整数のような符号なしの実数はありません。実数はコンピュータ内では仮数部と指数部の２つの部分で構成されていますので、４バイトの実数であっても４バイトの整数と同じ値を表現できるとは限りません。例えば大きな数値では、100000000000000000000.0 という値は表現できますが、12345678901234567890.0という値は表現することができません。４バイトの実数の有効桁数は、たかだか８桁なのです。

　float　　　 ４バイトの実数の変数　　　　　（短精度）
　double　　　８バイトの実数の変数　　　　　（倍精度）
　long double ８または１６バイトの実数の変数（倍精度または４倍精度）

変数の定義の方法は整数の変数と変わりはありません。

　float　f;
　double d;

とすれば整数の変数と同じように実行時にメモリーが確保されます。

　文字についてちょっと考えてみましょう。通常アスキー文字と呼ばれている文字は、アスキーコード表を見てもらえば分かると思いますが、１バイトで表現できるように定義されています。ですので、文字は通常 char 型の変数に代入したりしますが、short 型でも int 型でも構いません。ただ１バイトで事足りるのに２バイトも４バイトも余計にメモリーを使いますので特別な事情が無い限り特策ではないと思います。

　Ｃ言語で使用できる基本的な変数の型はこれだけです。なんだかすごく寂しい気もしますが、言ってしまえばこれだけあればなんでもできるということなのです。さて、次は配列について考えてみましょう。配列だからと言って特別な型がある訳ではありません。上で説明した基本の型の変数がたくさん連続して並んだのが配列なのです。配列は次のように定義します。

　short i[10];

この様に定義すると、short 型の変数 i は１０個の連続した要素を持つ変数という意味になります。

　short j[10][5];

とすると、short 型の変数 j は連続した５個の要素を１０個連続して持つ変数という意味になります。配列の次数は任意です。

　図にしてみると short i[10]; は次のようになります。

　　　　　□　□　□　□　□　□　□　□　□　□ ... □
　　　　　　　｜　　　｜　　　｜　　　｜　　　｜ ... ｜
　　　　　　　｜　　　 ２バイトずつ１０個連続　　　　｜
　　　　　　　｜
　　　　　　５００番地

上の図では short 型の i は５００番地にあり、その番地から２バイトずつ１０個、即ち２０バイト連続してメモリー上に確保されることになります。

　定義した配列の各要素は上の図のものでは、

　i[0] が５００番地にある要素で配列 i の最初　の要素になります。
　i[1] は５０２番地にある要素で配列 i の２番目の要素になります。
　i[9] は５１８番地にある要素で配列 i の最後　の要素になります。

この配列の [ ] 内の値を配列の添え字といいますが、Ｃ言語の不自然なのがこの添え字です。人間は物を数えるときには１、２、３... と１から数えていきますが、Ｃ言語では０、１、２... と０から数えるのです。もっともこれも慣れてしまえばあまり気にならなくなるのですが、コンピュータにとってみればこの方が自然なのです。どうしてこのようになってしまったのかというと、後にポインタについてお話ししますが、ポインタは、

　int i[10],*p;

　p=i;

としたときに、

*p と *(p+0) が同じ配列の要素（配列の最初の要素）を示すことから、Ｃ言語全体の統一をとるために配列での表現も添え字は０から開始することにしたのだと考えられます。

int i[10];

と配列を定義したとき、i[0] は配列 i の０番目の要素の値を意味しますが、添え字を付けない i は配列 i のアドレス（配列 i の最初の要素のアドレス）を示します。

int j[10][5];

と定義したものは、j[4][3] は値を示しますが、j[4] はアドレス、j もアドレスを示します。このようにＣ言語は配列の要素そのものを指定したときにはその値を、配列を指定したときにはアドレスと解釈されるのです。ですので、この場合の j[4] は５個の要素を持つ配列になるので、アドレスが値となることになるのです。これもＣ言語の大きな約束事ですので覚えておいて下さい。

　ここで話しを文字列の定数に戻しましょう。文字列の定数というのは、定数ではありますが、固定の文字の連続したものなので文字の配列と考えることができるのです。ということは、文字列そのものの値はアドレスということになるので、前回説明した内容に一致するのです。

　次に変数の初期化についてお話ししましょう。Ｃ言語の変数はＫ＆Ｒ仕様のコンパイラでは変数の定義と同時にその内容を任意の値で初期化することは変数の性質によってはできるものとできないものがありました（ここで言う変数の性質とは、スコープの違いや、寿命の違いのことで今回は説明しません）。ＡＮＳＩ仕様のＣ言語では全ての変数が定義と同時に初期化することができるようになりました。

　int　　i=10;
　double d=5.5;

と記述すると、整数の変数 i は定義と同時に値 10 で初期化され、実数の d は定義と同時に値 5.5 で初期化されます。多分ここまでは問題はないと思います。問題は配列の初期化です。配列の初期化は次のように { } の中にコンマで区切って記述します。

　int i[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

とすれば、最初の要素に１、２番目の要素に２ と順番に設定されます。

次に、

　int i[10]={1,2};

とすると、

　最初の要素は１、２番目の要素は２になり、それ以降は０になります。

　ところが、

　int i[10];

では、変数の性質によっては０か不定のどちらかになるのです。更に、初期化するのであれば、次のようにも記述することができます。

　int i[]={1,2,3,4,5};

このようにすると、コンパイラは配列の要素数が５個であると判断し、正しくコンパイルしてくれます。しかし、

　int i[5]={1,2,3,4,5,6};

と配列の要素数よりも初期化する値の数の方が大きいときにはコンパイルエラーになってしまいます。

　文字配列のときにも同様で、

　char c[3]={'a','b','c'};

と記述できますが、文字配列を文字列として扱うときには文字列の最後を示すためにヌルが必要になりますので、

　char c[4]={'a','b','c','\0'};

と記述しなければなりません。しかしながら、文字列で初期化するにはこれでは面倒なので、

　char a[]="abc";

と記述することで、コンパイラは配列 a の要素数を４として文字列 abc で初期化するようになります。多分これは文字列の初期化のみの例外だと思われます。

　それではまた次回。