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お気楽Ｃ言語プログラミング超入門

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お気楽Ｃ言語プログラミング超入門のフォントを Web フォント (Noto Sans JP, Noto Sans Mono) に変更し、印刷用の CSS を追加しました。Web ブラウザの印刷機能を使って PDF に変換することもできます。表示が崩れるときはフォント Noto Sans Mono CJK JP をインストールしてください。

●初級編

●中級編

●応用編

●Yet Another Clang Problems

●番外編

はじめに

『お気楽Ｃ言語プログラミング超入門』は M.Hiroi が Linux でＣ言語を再学習するために作成したページです。入門講座の体裁をとってはいますが、かけ足で進めていくつもりなので、すこし勾配の急な再入門的な内容になる予定です。プログラミング経験がない方にはちょっと難しいかもしれません。M.Hiroi のサビついた腕をどこまでブラッシュアップできるかわかりませんが、興味のある方はお付き合いくださいませ。

●Ｃ言語の特徴

Ｃ言語は 1972 年 AT&T ベル研究所の D.M.リッチー氏によって UNIX という OS を開発するために作られたプログラミング言語です。OS というシステムソフトウェアを開発するために設計されているので、アセンブラのような低水準に近い操作が可能になっています。このため、Ｃ言語は汎用アセンブラとか高級アセンブラといわれることもあります。

ほかの高水準言語とは違い、Ｃ言語は配列の範囲やオーバーフローなどのチェックは行っていません。また、「ポインタ」の使い方を誤れば、プログラムは簡単に暴走してしまいます。それでも、コンパクトで高速なマシン語が出力されることと、拡張性や保守性の点ではアセンブラよりも断然優れていることから、Ｃ言語は広く普及するようになりました。たいていの環境でＣ言語を利用することができます。

プログラミング言語はプログラムを実行する方法によって、コンパイラとインタプリタという 2 つの方法に分けることができます。一般に、Ｃ言語はコンパイラ型のプログラミング言語に分類されますが、インタプリタ型のＣ言語もあります。以前、ROOT: analyzing petabytes of data, scientifically. では、後藤正治さんが開発された C/C++ インタープリタ CINT が使われていましたが、現在では Cling という C++ インタプリタに置き換えられたようです。

Unix 系 OS の場合、標準のＣコンパイラに cc がありますが、ほとんどのディストリビューションで GCC (GNU Compiler Collection) が同梱されています。Linux のように、コマンド cc が gcc になっている OS もあります。最近は Clang というコンパイラも使われるようになってきました。Clang - Wikipedia によると、Clang は 『GNUコンパイラコレクション (GCC) を置き換えることのできるコンパイラを提供すること』 を目標にしていて、GCC よりもコンパイルが速く、エラーやワーニングのメッセージがわかりやすいといわれています。

M.Hiroi は Clang に興味があるので、本稿ではＣコンパイラに Clang を使ってＣ言語の学習を進めることにします。Debian 系の OS であれば、次のコマンドで Clang をインストールすることができます。 

sudo apt intstall clang

$ clang --version
Ubuntu clang version 14.0.0-1ubuntu1
Target: x86_64-pc-linux-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/bin

コマンドは gcc のかわりに clang を使います。なお、Clang は Cygwin でも利用することができます。setup-x86_64.exe で簡単にインストールすることができるので、Cygwin ユーザーで興味のある方は試してみてください。

●実行ファイルができるまで

Ｃ言語でプログラムを作る場合、エディタを使ってソースファイルを作成します。ソースファイルとは、プログラミング言語で記述された命令書のことです。この命令書をコンピュータが理解できるようにマシン語に変換する必要があります。

コンパイラは、ソースファイルを実行ファイルに変換します。一度変換してしまえば、あとは外部コマンドと同様にそのプログラムを実行することができます。それでは、標準的なＣ言語を例に実行ファイルができるまでの様子を見てみましょう。

いきなりソースファイルを実行ファイルに変換することはできません。まず、ソースファイルをアセンブラプログラムに変換します。この作業をコンパイルといいます。そして、この作業を行うプログラムをコンパイラといいます。Ｃ言語で書かれたプログラムは、Ｃコンパイラによって変換されます。ほかのプログラミング言語のコンパイラを使うことはできません。

Unix 系 OS で標準的なＣコンパイラを使用する場合、ここの処理は cpp と cc1 が担当します。Ｃ言語のソースファイルは、拡張子に .c が使われます。ソースファイル abc.c はコンパイラによって abc.s というアセンブラプログラムに変換されます。Unix 系 OS の場合、アセンブルプログラムの拡張子は .s が使用されます。このとき、ソースファイルのほかにも「ヘッダファイル」という複数のファイル ( *.h ) が必要になります。

次に、アセンブラプログラムをオブジェクトファイルに変換します。この作業をアセンブルといい、それを実行するプログラムをアセンブラといいます。Unix 系 OS では as が担当します。

オブジェクトファイルの内容はマシン語なのですが、このままでは実行することができません。オブジェクトファイルを実行ファイルに変換する作業がリンクです。そして、この作業を行うプログラムがリンカと呼ばれます。Unix 系 OS では ld が担当します。オブジェクトファイルの拡張子は .o です。リンク作業は、「ライブラリ」という複数のオブジェクトをまとめたファイルの中から、必要なオブジェクトを取り出し [*1]、abc.o と一緒に結合して abc という実行ファイルを作ります。

このように、実行ファイルに変換するまで、複数のプログラムを使います。いちいち手作業でこれらのプログラムを実行するのでは疲れてしまいますね。そこで、必要なプログラムを順番に呼び出してくれる「コンパイラ・ドライバ」というプログラムが用意されています。これが cc です。GCC であればコマンド gcc を使い、Clang であれば clang を使います。 

$ clang -o abc abc.c

上記のように入力するだけで、abc.c は abc という実行ファイルに変換されます。この様子を見ただけでは、アセンブラやリンカが働いていることはわかりません。clang がソースファイルを実行ファイルに変換するように見えますが、今まで説明したように、複数のプログラムが働いているのです。なお、「コンパイルする」というと、一般には、ソースファイルから実行ファイルに変換する作業すべてを指す場合が多いようです。

それでは実際にコンパイルしてみましょう。次のプログラムは画面に hello, world と表示します。 

リスト : hello.c

#include <stdio.h>

int main(void)
{
  printf("hello, world\n");
  return 0;
}

$ clang -o hello hello.c
$ ls
hello  hello.c
$ ./hello
hello, world

-o は実行ファイル名を指定するオプションです。-o を省略すると実行ファイル名は a.out になります。

-- note --------
[*1] これは静的ライブラリ (拡張子が .a のファイル) をリンクする場合の話です。Linux では共有ライブラリ (拡張子が .so のファイル) をプログラムの実行時にロードする方法が標準です。

●たらいまわし関数

それでは、お馴染みの「たらいまわし関数」を使って、gcc と clang の実行時間を計測してみましょう。Ｃ言語の場合、たらいまわし関数は次のようになります。

リスト : たらいまわし関数

#include <stdio.h>

int tak(int x, int y, int z)
{
  if (x <= y) {
    return z;
  } else {
    return tak(tak(x - 1, y, z), tak(y - 1, z, x), tak(z - 1, x, y));
  }
}

int main(void)
{
  printf("%d\n", tak(24, 12, 0));
  return 0;
}

時間計測はコマンド time を使います。time で時間を計測する場合、プログラムの起動時間も含まれることに注意してください。実行結果は次のようになりました。

$ gcc --version
gcc (Ubuntu 11.3.0-1ubuntu1~22.04) 11.3.0
Copyright (C) 2021 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

$ gcc -O2 -o takg tak.c
$ clang -O2 -o takc tak.c
$ time ./takg
1

real    0m7.695s
user    0m7.694s
sys     0m0.000s
$ time ./takc
1

real    0m7.534s
user    0m7.524s
sys     0m0.010s

最適化のオプションはどちらも -O2 を指定しました。Clang のほうがちょっとだけ速いみたいです。興味のある方はいろいろ試してみてください。

参考文献・URL

  1. B.W.カーニハン, D.M.リッチー (共著), 石田晴久 (訳), 『プログラミング言語Ｃ』, 共立出版, 1981
  2. 平林雅英 (著), 『ANSI Ｃ言語辞典』, 技術評論社, 1989
  3. 奥村晴彦,『Ｃ言語による最新アルゴリズム事典』, 技術評論社, 1991
  4. Patrick Henry Winston (著), 大鋳史男, 鬼頭繁治 (訳), 『ウィンストンのＣ』, アジソンウェスレイ, 1995
  5. P.J.プラウガー (著), 福富寛, 門倉明彦, 清水恵介 (訳), 『標準Ｃライブラリ』, トッパン, 1995
  6. Ravi Sethi (著), 神林靖 (訳), 『プログラミング言語の概念と構造』, アジソンウェスレイ, 1995
  7. 近藤嘉雪, 『Ｃプログラマのためのアルゴリズムとデータ構造』, ソフトバンク, 1998
  8. C言語 - Wikipedia
  9. 連載：C言語の最新事情を知る, (花井志生さん, Build Insider)

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