3 関数

3.1 関数の役割と作成方法

関数とは，処理の手続きをまとめたものである．関数を使うことにより，C言語のプログラムは -4pt

何度も同じことを書くのは面倒なので，処理を一つにまとめる．
プログラムの内容を分かりやすくするために，処理を機能単位に分割する．

とすることができる．特に，2番目が重要で，「プログラムのソースは分かりやすくなくてはならない」ということが実現できる．

関数をつくり，使うためには，ソースプログラムを図4のように記述する．必要な記述は，以下の3つである．

-4pt

プロトタイプ宣言．関数の入出力(引数や戻り値)の仕様(個数と型)を示す．
関数の定義．関数での処理の内容を示す．
関数のコール(Call:呼び出し)．関数を動作させる．

**図 4:** ユーザー定義関数を含んだソースプログラムの書き方
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/how_to_make_function.eps}$

3.2 データの受渡し

呼出元から関数へ処理に必要なデータは，引数として渡す．呼出元の引数を実引数，呼び出された関数側の引数を仮引数(図5)と言う．関数を呼び出したとき，実引数の値が仮引数の変数にコピーされる．それを使って，関数は処理を行う．一方，関数が処理したデータを呼出元へ返すときには，戻り値をつかう．これは，return文により返すことができる．

これらの引数と戻り値により，呼出元と関数の間でのデータの受渡しを行う．受渡しは，一方通行であることを忘れてはならない． -4pt

引数は呼び出し元から関数へ複数のデータを渡すことはできる(呼出元 $\rightarrow$ 関数)．しかし，関数から呼出元へデータを渡すことは不可能．
戻り値は，関数からデータを渡すことができる(呼出元 $\leftarrow$ 関数)．そして，呼び出し元へ返せる値は一つに限られる．一方，呼出元から関数へデータを渡すことはできない．

必要な引数を伴って関数名を書けばその関数のプログラムを実行することができる．戻り値で返された値は，次のように変数に格納する．

y=f(x);

これで，変数xの値を独立変数として $-x^2 + 10x + 8 + 10\sin^2 x$ の計算を行い，その結果を変数yに格納する．注意:呼出元のxが実引数．

図: 数学関数 $f(x)=-x^2 + 10x + 8 + 10\sin^2 x$ を計算するC言語のユーザー定義関数．この関数はp.のリスト1で使っている．
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/function.eps}$

3.3 変数のスコープ

変数の有効範囲のことを変数のスコープと言う．それは宣言する場所で決まる．変数のスコープは3種類あり，それぞれについて以下の箇条書きと図6に示す．

全ての関数の外側，プログラムの先頭付近で宣言した変数は全ての関数で有効である．これをグローバル変数と呼ぶ．
関数の先頭で宣言した変数は，その関数内のみで有効である．これを，ローカル変数と呼ぶ．また，関数の仮引数もローカル変数である．
コードブロック--{ }で囲まれた部分²--の先頭で宣言した変数は，そのブロック内のみで有効になる．これもローカル変数のひとつであるが，ここではブロック内宣言の変数と呼ぶことにする．

スコープが異なれば，同じ名前の変数名を使うことができる．同じ名前がある場合，優先度の高い変数が使われる．優先度の順序は，ブロック内宣言の変数 $\rightarrow$ ローカル変数 $\rightarrow$ グローバル変数となる．スコープが狭い程，優先順位が高い．

**図 6:** 変数のスコープ(有効範囲)
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=0.8]{figure/scope.eps}$

3.4 記憶クラス

メモリーにデータを格納する方法を示したものがC記憶クラスである．C言語には，4個の記憶クラス指定子(1)auto，(2)extern，(3)register， (4)staticがある．これらは，変数宣言の先頭に

auto int hogehoge;
extern int fugafuga;
register int foo;
static int bar;

と書く．

記憶クラスは4種類あるが，この中でstaticはローカル変数³とグローバル変数では，動作が異なる．したがって，5種類の動作があると考える．

記憶クラスを指定しない場合，自動変数(auto)となる．デフォルトは自動変数．そのため，通常，自動変数を使う場合，記憶クラス指定子autoは書かない．　

**表 1:** 記憶クラスの特徴
記憶クラス	指定子	特徴
自動変数	`auto`	ローカル変数の場合は，関数が呼び出される毎に記憶領域の確保と初期化(初期値の指定がある場合)が行われ，関数の処理が終わったときにその変数は消滅する．グローバル変数の場合は，プログラム実行中，変数の記憶領域は保持される．
`ローカル変数の静的変数`	`static`	プログラムの実行に先立って，記憶領域の確保と初期が行われる．プログラムの実行中，記憶領域は保持される．
`グローバル変数の静的変数`	`static`	分割コンパイルの場合，そのファイルのみで使えるグローバル変数ということを示している．
`外部変数`	`extern`	この記憶クラスはグローバル変数のみに使う．これが指定されると，記憶領域の確保は行われず，どこか他のファイルにこの変数があることを示す．記憶領域は，どこか他のファイルにある変数を使う．
`レジスター変数`	`register`	レジスターを記憶領域として使う．レジスターはCPUの記憶領域で，メインメモリーよりも高速のアクセスが可能である．したがって，処理の高速になる．

3.5 関数の例

3.5.1 関数を使った基本プログラム

関数

$\displaystyle f(x)=-x^2 + 10x + 8 + 10\sin^2 x$

$\displaystyle -10\leqq x \leqq 10$

(1)

の最大値を求めるプログラムである．これは，10月20日配布のプリントに書かれている例．

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <math.h>
   3 
   4 double f(double x);           //プロトタイプ宣言
   5 
   6 //========================================================
   7 // メイン関数
   8 //========================================================
   9 int main(void){
  10   double x, dx, xmin, xmax, y;
  11   double max_y, max_x;
  12   int i, ncal;
  13 
  14   //--- 計算条件設定 ---
  15   xmax = 10;
  16   xmin = -10;
  17   dx = 0.0001;
  18   ncal = (xmax-xmin)/dx;
  19 
  20   //--- 暫定最大値 ---
  21   max_x = xmin;
  22   max_y = f(xmin);
  23 
  24   //--- 最大値検索 ---
  25   for(i=1; i<=ncal; i++){
  26     x = xmin + i*dx;
  27     y = f(x);
  28     if(max_y <= y){        //最大値が見つかった場合
  29       max_x = x;
  30       max_y = y;
  31     }
  32   }
  33 
  34   printf("%fのとき，最大%fとなる．\n",max_x, max_y);
  35 
  36   return 0;
  37 
  38 }
  39 
  40 //============================================================
  41 // ユーザー定義関数
  42 //============================================================
  43 double f(double x){
  44   double y;
  45 
  46   y = -x*x + 10*x + 8 + 10*sin(x)*sin(x);        // 関数の計算
  47 
  48   return y;
  49 }

3.5.2 戻り値の工夫

リスト2は，ヘロン公式

$\displaystyle s$	$\displaystyle =\frac{a+b+c}{2}$	(2)
$\displaystyle S$	$\displaystyle =\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}$	(3)

を使って三角形の面積

を計算するプログラムである．これは，12月1日配布のプリントに書かれている例．

もし，仮引数で渡された三辺では三角形ができなかった場合，戻り値を-999 とする．三角形ができた場合の面積は必ず正である．もし戻り値が負の値となった場合，呼び出し元は渡した実引数が不適で，三角形が成立しなかったことが分かる．-999のようなヘンテコリンな数字を戻り値とするのはプログラミングの定石である．そして，倍精度実数の比較には等価演算子(==)を使わないこと．

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <math.h>
   3 
   4 double helon(double a, double b, double c);  //プロトタイプ宣言
   5 
   6 //===========================================================
   7 // メイン関数
   8 //===========================================================
   9 int main(void)
  10 {
  11   double hen1, hen2, hen3;
  12   double menseki;
  13 
  14   printf("辺1の長さ?\t");
  15   scanf("%lf",&hen1);
  16   printf("辺2の長さ?\t");
  17   scanf("%lf",&hen2);
  18   printf("辺3の長さ?\t");
  19   scanf("%lf",&hen3);
  20 
  21   menseki = helon(hen1, hen2, hen3);
  22 
  23   if(menseki < -990){
  24     printf("入力した辺では，三角形はできません!!!!!\n");
  25   }else{
  26     printf("面積は，%fです．\n", menseki);
  27   }
  28 
  29   return 0;
  30 }
  31 
  32 //===========================================================
  33 // ユーザー定義関数
  34 //===========================================================
  35 double helon(double a, double b, double c)
  36 {
  37   double s, S, test;
  38 
  39   s=(a+b+c)/2;
  40   test=s*(s-a)*(s-b)*(s-c);
  41 
  42   printf("%f\t%f\t%f\n",a,b,c);
  43   if(test <= 0){
  44     S = -999.0;
  45   }else{
  46     S = sqrt(test);
  47   }
  48 
  49   return S;
  50 }

3.5.3 複数の戻り値

三角形の面積と周長のように2つの値を計算する関数の場合，戻り値でその値を返すことができない．引数を使って，値を返すこともできない． -4pt

戻り値で呼び出し元へ返せる値は，一つに限られる．
引数は呼び出し元から関数へデータを渡すことはできるが，その逆は不可能．ようするに引数を使ったデータの受け渡しは一方通行である．

このような場合，グローバル変数を使って，値を返す⁴．

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <math.h>
   3 
   4 void info_tri(double a, double b, double c);    // プロトタイプ宣言
   5 double S, total_len;                              // グローバル変数
   6 
   7 //===========================================================
   8 // メイン関数
   9 //===========================================================
  10 int main(void)
  11 {
  12   double hen1, hen2, hen3;
  13   double menseki;
  14 
  15   printf("辺1の長さ?\t");
  16   scanf("%lf",&hen1);
  17   printf("辺2の長さ?\t");
  18   scanf("%lf",&hen2);
  19   printf("辺3の長さ?\t");
  20   scanf("%lf",&hen3);
  21 
  22   info_tri(hen1, hen2, hen3);
  23 
  24   if(S < -990){
  25     printf("入力した辺では，三角形はできません!!!!!\n");
  26   }else{
  27     printf("面積は，%fです．\n", S);
  28     printf("周長は，%fです．\n", total_len);
  29   }
  30 
  31   return 0;
  32 }
  33 
  34 //===========================================================
  35 // ユーザー定義関数
  36 //===========================================================
  37 void info_tri(double a, double b, double c)
  38 {
  39   double s, test;
  40 
  41   s=(a+b+c)/2;
  42   test=s*(s-a)*(s-b)*(s-c);
  43 
  44   if(test<=0){
  45     S = -999.0;
  46   }else{
  47     S = sqrt(test);
  48     total_len = a+b+c;
  49   }
  50 
  51 }

3.5.4 `void`型を使った関数

引数や戻り値の無い関数を宣言するときには，voidと型宣言をする．

   1 #include <stdio.h>
   2 
   3 void write_file(void);                       // プロトタイプ宣言
   4 
   5 //============================================================================
   6 // メイン関数
   7 //============================================================================
   8 int main(void){
   9 
  10   write_file();                              // 関数の呼出
  11 
  12   return 0;
  13 }
  14 
  15 //============================================================================
  16 // void型の関数
  17 //============================================================================
  18 void write_file(void){
  19   FILE *fuga;
  20 
  21   fuga = fopen("hello.txt", "w");            // ファイルのオープン
  22   
  23   fprintf(fuga, "Hello World !!!\n");        // ファイルへの書き出し
  24 
  25   fclose(fuga);                              // ファイルのクローズ
  26 }

3.5.5 ファイルへの書き込み

先週は，さまざまなユーザー定義関数を学習した．その内容は，以下のようなものであった．

FILE *out; ファイルの情報を格納する変数宣言． *outがファイルの情報を格納する変数である．outはfugafugaのようにどんな名前でも良い．しかし，先頭のアスタリスク(*)は必須である．
out=fopen("data.txt","w"); 書き込み用にファイルを開く．data.txtがファイル名で，wが書き込み用にファイルを開くことを示している．ファイル名は適当に変えてもよい．fopen()関数の戻り値は，ファイル情報を格納する変数に代入する．
fprintf(out, "%f\ t%f\n", x, y); ファイルにデータを書き込む．ファイルに書き込むfprintf()関数は，ディスプレイに表示するprintf()関数とそっくりである．書き込むファイルを指定するファイル情報の変数を最初に書く--ことが異なる．
fclose(out); ファイルを閉じる．使い終わったファイルは閉じなくてはならない．

   1 #include <stdio.h>
   2 
   3 double hogehoge(double x);                        // プロトタイプ宣言
   4 
   5 //============================================================================
   6 // メイン関数
   7 //============================================================================
   8 int main(void){
   9 
  10   FILE *out;                                      // ファイルの情報を格納
  11   int i, np;
  12   double x, dx, xmax, xmin;
  13 
  14   printf("xの最小値\t");                           // キーボード入力
  15   scanf("%lf", &xmin);
  16   printf("xの最大値\t");
  17   scanf("%lf", &xmax);
  18   printf("プロット点の数\t");
  19   scanf("%d", &np);
  20 
  21   dx = (xmax - xmin)/np;                          //データ間隔計算
  22 
  23   out=fopen("data.txt","w");                      //ファイルをオープン
  24 
  25   for(i=0; i<=np; i++){
  26     x = xmin + i*dx;
  27     fprintf(out, "%f\t%f\n", x, hogehoge(x));     //データの書き込み
  28   }
  29 
  30   fclose(out);                                    //ファイルをクローズ
  31 
  32   return 0;
  33 }
  34 
  35 //============================================================================
  36 //  プロットする数学関数
  37 //============================================================================
  38 double hogehoge(double x){
  39   double y;
  40 
  41   y=(3*x+2)/(x+2);
  42 
  43   return y;
  44 }

ホームページ: Yamamoto's laboratory
著者: 山本昌志

Yamamoto Masashi
平成18年12月1日