C言語入門!まるで初めての語学学習!初心者でも安心の12のステップ

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この記事では、プログラムの基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

基本的な知識があればカスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10000時間以上』を満たすプログラマ集団によって監修されています。

はじめに

皆さん、C言語を学ぶことにワクワクしていますか?

新しい言語を学ぶのは大変なことかもしれませんが、一緒に一歩一歩進んでいきましょう。

本記事では、C言語の基本から応用まで、初心者でも安心して学べる12のステップを紹介します。

●C言語とは何か?

C言語は、多くの現代のプログラミング言語の基盤となる言語で、一般的にシステムプログラミングや埋め込みシステムで使われます。

習得すれば、あなたのプログラミングスキルは飛躍的に向上するでしょう。

●C言語を学ぶための基本的なスキル

C言語を学ぶためには、次のスキルが必要となります。

論理的思考、問題解決、数学的な理解、そして何よりも持続力です。

プログラミングは、新しい言語を学ぶのと同じように、日々の練習が必要となります。

●C言語の基本的な構文

C言語を学ぶにあたり、まず理解すべき基本的な構文を以下に示します。

○変数とデータ型

C言語では、データを保存するための「変数」と、その変数がどのような種類のデータを保存できるかを決める「データ型」があります。

たとえば、下記のコードでは、整数型(int)の変数「num」を宣言し、その値を10に設定しています。

int num = 10;

このコードでは整数型(int)の変数numを使用して10という値を代入しています。

この例では変数とデータ型を使って値を格納しています。

○制御構造

C言語では、条件分岐やループといった制御構造を使って、プログラムの実行フローを制御します。

たとえば、次のコードは「if」文を使った条件分岐の一例です。

if (num > 5) {
    printf("numは5より大きいです。\n");
} else {
    printf("numは5以下です。\n");
}

このコードではif文を使って変数numが5より大きいかどうかを判断しています。

この例では制御構造を使って条件分岐を行っています。

○関数

関数は、特定の処理をまとめたもので、何度も同じコードを書くことなく、その処理を再利用できます。

足し算を行う関数の例を紹介します。

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

このコードではaddという名前の関数を定義し、2つの整数を引数に取り、その和を返す関数を作成しています。

この例では関数を使って処理をまとめて再利用しています。

●C言語でのプログラムの作成

ここでは、基本的なC言語のプログラムの作成方法を学びます。

具体的には、”Hello, World!” プログラムの作成や、基本的な算術演算、制御構造を使ったプログラムの作成方法を見ていきます。

○サンプルコード1:”Hello, World!” プログラム

まずは、最も基本的なプログラム、”Hello, World!” プログラムの作成方法を見ていきましょう。

このプログラムは、コンソールに”Hello, World!”と出力するものです。

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

このコードでは、printf関数を使って”Hello, World!”というメッセージを出力するプログラムを作成しています。

この例では、文字列を出力するための最も基本的なプログラムを紹介しています。

このコードを実行すると、コンソールに”Hello, World!”と出力されます。

つまり、プログラムが正しく動作していることを確認できます。

○サンプルコード2:基本的な算術演算

C言語における算術演算について見ていきましょう。

このコードでは、足し算、引き算、掛け算、割り算という基本的な算術演算を表しています。

ここでは整数型の変数aとbを用意し、これらの変数を用いて算術演算を行います。

#include<stdio.h>

int main(){
    int a = 10;
    int b = 2;

    printf("足し算: %d \n", a + b);
    printf("引き算: %d \n", a - b);
    printf("掛け算: %d \n", a * b);
    printf("割り算: %d \n", a / b);

    return 0;
}

このコードでは、まずaとbという整数型の変数を宣言して初期化します。

そして、printf関数を使って算術演算の結果を表示します。

出力結果は次の通りです。

足し算: 12 
引き算: 8 
掛け算: 20 
割り算: 5

C言語では、割り算の結果は商を表す整数となります。

したがって、10を2で割った結果は整数の5になります。

○サンプルコード3:制御構造を使ったプログラム

続いて、C言語の制御構造について学んでいきましょう。

制御構造とは、プログラムの流れを制御するための仕組みです。

このコードでは、「if文」と「for文」の二つの制御構造を用いて、1から10までの数字の中で5以上のものだけを表示するプログラムを作成します。

#include<stdio.h>

int main(){
    for(int i=1; i<=10; i++){
        if(i >= 5){
            printf("%d ", i);
        }
    }
    return 0;
}

このプログラムでは、for文を用いて1から10までの数字を生成します。

そして、if文で生成された数字が5以上かどうかを判断し、5以上の場合に限りその数値を出力します。

出力結果は次の通りです。

5 6 7 8 9 10

このように、制御構造を用いることで、プログラムの流れを柔軟に制御することが可能です。

この制御構造は、C言語だけでなく、他の多くのプログラミング言語でも共通して使用されます。

●C言語の基本的なエラーとその対処法

プログラミングの学習過程でエラーは避けては通れない道の一つです。

そのため、C言語における一般的なエラーやバグについて理解し、それらを解消する技術を身につけることは非常に重要です。

C言語のエラーは大きく分けてコンパイルエラーと実行時エラーの2種類に分けられます。

コンパイルエラーはソースコードをコンパイラが機械語に変換する際に発生します。

一方、実行時エラーはコンパイルは問題なく完了したが、プログラムの実行中に問題が発生した場合に発生します。

ここではC言語の基本的なエラーとその対処法について詳しく見ていきましょう。

○コンパイルエラー

まず、最も一般的に遭遇するのはコンパイルエラーです。

これは、コードがC言語の文法に従っていない場合、または定義されていない関数を呼び出した場合などに発生します。

コンパイルエラーが発生する一例を紹介します。

#include <stdio.h>

int main() {
    pritnf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

このコードでは”printf”関数を呼び出そうとしていますが、間違えて”pritnf”と記述してしまっています。

これをコンパイルすると次のようなエラーが表示されます。

error: implicit declaration of function 'pritnf' is invalid in C99
    pritnf("Hello, World!\n");
    ^
1 error generated.

エラーメッセージはコンパイラによりますが、”pritnf”関数が宣言されていないという内容のエラーが表示されます。

このような場合、関数名のスペルミスや、必要なヘッダーファイルがインクルードされていない可能性があります。

このエラーを修正するには、”pritnf”を”printf”に修正すれば解決します。

○実行時エラー

次に実行時エラーについて見ていきましょう。

実行時エラーはプログラムが実行されて初めて発見されます。

よくある実行時エラーの一例として、ゼロ除算や配列の範囲外アクセス、初期化されていない変数の使用などがあります。

実行時エラーが発生する一例を紹介します。

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5;
    int b = 0;
    int result = a / b;
    printf("%d\n", result);
    return 0;
}

このコードでは、変数bに0が代入されていて、その後でaをbで割っています。

これを実行すると、ゼロ除算エラーが発生し、プログラムはクラッシュします。

このエラーを修正するには、0で除算するのを避けるためにbの値をチェックするようにコードを修正すればよいです。

●C言語でのファイル操作

C言語を学んでいく中で、プログラムからファイルを読み書きするスキルは欠かせません。

これを学ぶことで、データの永続性を保つためにディスクに情報を保存したり、大量の情報を一度に処理したりすることが可能となります。

ファイル操作は難しそうに思えるかもしれませんが、C言語はそれを容易に実現するための道具を提供しています。

○サンプルコード4:ファイルからの読み込み

このコードでは、C言語を使ってテキストファイルからデータを読み込む手法を紹介します。

この例では、ファイルポインタを用いてファイルを開き、fgets関数を用いてファイルの内容を一行ずつ読み込んで表示しています。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    FILE *fp;  // ファイルポインタの宣言
    char buf[256];  // 文字列を格納するための配列

    fp = fopen("sample.txt", "r");  // ファイルを開く
    if (fp == NULL) {
        printf("ファイルが開けません。\n");
        return 1;
    }

    while (fgets(buf, 256, fp) != NULL) {  
        printf("%s", buf);  // 読み込んだ行を表示
    }

    fclose(fp);  // ファイルを閉じる

    return 0;
}

このコードを実行すると、sample.txtの内容がコンソールに表示されます。

fgets関数は指定したサイズのバッファにデータを読み込むため、大きなファイルでも一行ずつ処理することが可能です。

ただし、存在しないファイルを開こうとしたり、読み込み権限がない場合はエラーメッセージが表示され、プログラムは終了します。

○サンプルコード5:ファイルへの書き込み

次に、テキストファイルへの書き込みについて見てみましょう。

このコードでは、fputs関数を使って、新たにテキストをファイルに書き込んでいます。

この例では、文字列をファイルに書き込む際の基本的な手順を説明しています。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    FILE *fp;  // ファイルポインタの宣言

    fp = fopen("output.txt", "w");  // ファイルを開く
    if (fp == NULL) {
        printf("ファイルが開けません。\n");
        return 1;
    }

    fputs("Hello, C Language!\n", fp);  // ファイルに書き込む

    fclose(fp);  // ファイルを閉じる

    return 0;
}

このコードを実行すると、”Hello, C Language!”というテキストがoutput.txtファイルに書き込まれます。

また、同名のファイルがすでに存在する場合は、その内容は新たに書き込まれたテキストで上書きされます。

ファイルに追記する場合は、fopen関数のモードを”w”から”a”に変更します。

●C言語でのメモリ管理

さて、次に進む前に一息つきましょう。

今回学ぶのはC言語の中でも特に難易度が高いトピック、それがメモリ管理です。

C言語では、プログラマが直接メモリを操作することが可能です。

これは、柔軟なプログラミングを可能にする一方で、誤った操作がシステムの安定性を危うくする原因ともなります。

だからこそ、メモリ管理を理解し、適切に扱うことは、C言語を使いこなす上で不可欠なスキルとなります。

C言語でのメモリ管理には主に二つの要素があります。

それが、「ポインタ」の理解と「動的メモリ確保」です。

これらは理論的には難解なものですが、適切な例を用いて説明することで理解を深めることが可能です。

では、具体的なサンプルコードを通じて理解を深めていきましょう。

○サンプルコード6:ポインタとメモリ確保

このコードでは、ポインタと動的メモリ確保を使用して、整数の配列を作成し、それにアクセスする方法を表しています。

この例では、まずポインタ変数を宣言し、その後でメモリを確保し、最後にそのメモリを解放しています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int* p;
    int i;

    // メモリの動的確保
    p = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
    if (p == NULL) {
        printf("メモリが確保できませんでした。\n");
        return 1;
    }

    // 確保したメモリに値を代入
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        p[i] = i;
    }

    // 確保したメモリの中身を出力
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", p[i]);
    }

    // メモリの解放
    free(p);

    return 0;
}

ここでは、malloc関数を使って5つの整数を格納できるメモリを確保しています。

そして、そのメモリ領域に値を代入し、表示します。

最後に、確保したメモリ領域はfree関数を使って解放しています。

このコードを実行すると、画面には0から4までの整数が順に表示されます。

この例からわかるように、C言語ではメモリの確保と解放をプログラマが自由に制御することができます。

ただし、この自由さは注意が必要です。メモリを確保した後は必ず解放しなければなりません。

解放を忘れてしまうと、プログラムが終了してもそのメモリ領域が解放されず、その結果、メモリリークと呼ばれる問題が発生します。

●C言語の応用例

これまでのステップで、C言語の基本的な文法、変数、関数、制御構造、ファイル操作、メモリ管理などについて学びました。

次は、これらの知識を活用して、より具体的で実践的なプログラムを作成する方法を見ていきましょう。

初心者から一歩進んだプログラミングへの道を開くための実例をご紹介します。

○サンプルコード7:簡単なゲームの作成

このコードでは、C言語を用いて簡単な数当てゲームを作成します。

この例では、乱数生成とユーザーからの入力を受け取り、それを元にゲームのロジックを実行しています。

具体的なコードは次のとおりです。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>

int main(){
    int secret_number, guess;

    // 乱数のシードを設定
    srand(time(0));

    // 1から10までの乱数を生成
    secret_number = rand() % 10 + 1;

    printf("数当てゲーム! 1から10までの数を当ててください。\\n");

    scanf("%d", &guess);

    if(guess == secret_number){
        printf("おめでとうございます! 正解です。\\n");
    }else{
        printf("残念、不正解です。正解は%dでした。\\n", secret_number);
    }

    return 0;
}

このコードを実行すると、「数当てゲーム! 1から10までの数を当ててください。」というプロンプトが表示され、ユーザーに数値を入力させます。

入力した数値が秘密の数(乱数で生成された1~10の数)と一致すれば、「おめでとうございます! 正解です。」と表示され、一致しなければ、「残念、不正解です。正解はXでした。」(Xは秘密の数)と表示されます。

○サンプルコード8:データ構造の実装

次に、C言語でデータ構造を実装する方法を見ていきます。

この例では、単純な連結リストを作成し、要素の追加と表示を行います。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

// ノードを表現する構造体
typedef struct node {
    int data;
    struct node* next;
} node;

node* create_node(int data){
    node* new_node = (node*)malloc(sizeof(node));
    if(new_node == NULL){
        printf("メモリの確保に失敗しました。\\n");
        exit(1);
    }
    new_node->data = data;
    new_node->next = NULL;
    return new_node;
}

void display(node* start){
    node* ptr = start;
    while(ptr != NULL){
        printf("%d -> ", ptr->data);
        ptr = ptr->next;
    }
    printf("NULL\\n");
}

int main(){
    node* start = create_node(10);
    start->next = create_node(20);
    start->next->next = create_node(30);

    display(start);

    return 0;
}

このコードを実行すると、”10 -> 20 -> 30 -> NULL”という出力が得られます。

これは、create_node関数を使用して新しいノードを作成し、それらを連結してリストを作成し、display関数を使用してリストの内容を表示した結果です。

○サンプルコード9:ネットワーク通信

最後に、C言語を使用してネットワーク通信を行う方法を紹介します。

この例では、特定のWebサイトからHTTPレスポンスを取得するための簡単なHTTPクライアントを作成します。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h> 

#define MAX_SIZE 1000

int main() {
    int socket_desc;
    struct sockaddr_in server;
    char* message, server_reply[MAX_SIZE];

    //ソケットの作成
    socket_desc = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(socket_desc == -1){
        printf("ソケットの作成に失敗しました。\\n");
    }

    server.sin_addr.s_addr = inet_addr("93.184.216.34");
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(80);

    //サーバに接続
    if(connect(socket_desc, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0){
        printf("接続に失敗しました。\\n");
        return 1;
    }

    //メッセージの送信
    message = "GET / HTTP/1.1\\r\\n\\r\\n";
    if(send(socket_desc, message, strlen(message), 0) < 0){
        printf("送信に失敗しました。\\n");
        return 1;
    }

    //サーバからのレスポンスの受信
    if(recv(socket_desc, server_reply, MAX_SIZE, 0) < 0){
        printf("受信に失敗しました。\\n");
        return 1;
    }

    //レスポンスの表示
    printf("サーバからのレスポンス:\\n%s\\n", server_reply);

    return 0;
}

このコードを実行すると、接続したWebサイトからのHTTPレスポンスがコンソールに表示されます。

ただし、このコードは簡単化されたものであり、エラーハンドリングやセキュリティ対策など、本格的なネットワークプログラミングにはさらなる考慮が必要です。

●C言語を学ぶ上でのコツと注意点

C言語はその効率性と拡張性から、システムプログラミングや組み込みシステムなどに広く使用されています。

しかし、そのパワフルさゆえに、学習者が陥りがちないくつかの問題点や困難さがあります。

まず、C言語は手続き型の言語であり、プログラムを一連の手順として考えることを要求します。

したがって、それぞれの手順が何を意味するのか、それが全体の中でどのように機能するのかを理解することが重要です。

ここで必要となるのが「フローチャート」の作成です。

フローチャートを書くことで、どの関数がどのタイミングで呼び出されるのか、データがどのように流れるのかを視覚化することができます。

また、C言語ではメモリ管理をプログラマ自身が行う必要があります。

これは他の高レベル言語、例えばPythonやJavaScriptなどでは自動的に行われることです。

しかし、C言語では「malloc」や「free」などの関数を用いてメモリの確保と解放を行います。

これにより、メモリリーク(必要なくなったメモリが解放されずに残ってしまうこと)や、未初期化のメモリを参照するといったエラーを引き起こす可能性があります。

次に、C言語ではコンパイルエラーやランタイムエラーを理解し、対処する能力が求められます。

特に初心者にとってはエラーメッセージが分かりにくく、解決に苦労することもあります。

しかし、これらのエラーはプログラムのバグを見つけ出す手がかりでもあります。

エラーメッセージを読み解き、問題のあるコードを特定し、適切な修正を行う能力を身につけることが重要です。

最後に、C言語ではポインタを理解し使用することが不可欠です。

ポインタはメモリの特定のアドレスを指し示す変数であり、非常に強力ですが、誤った使用は混乱やエラーを引き起こす可能性があります。

ポインタの基本的な動作を理解し、適切に使用することが求められます。

ここで、C言語の学習における重要なコツと注意点を解説するためのサンプルコードをご紹介します。

下記のコードは、メモリリークを発生させる可能性のあるコードです。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(){
    int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
    if(ptr == NULL){
        printf("メモリの確保に失敗しました。\\n");
        return 1;
    }
    *ptr = 100;
    printf("%d\\n", *ptr);
    // メモリの解放を忘れている
    // free(ptr);
    return 0;
}

このコードでは、メモリの動的確保を行っていますが、確保したメモリの解放を忘れてしまっています。

このような場合、プログラムが終了するまでメモリは解放されず、これがメモリリークを引き起こします。

このコードを実行しても特にエラーは発生しませんが、長時間動かすようなプログラムでこのようなメモリリークが繰り返されると、システムに重大な影響を及ぼす可能性があります。

対策としては、メモリを確保したら必ず解放する、というルールを徹底することです。

また、メモリの解放を忘れないように、確保と解放はなるべく近くに書くと良いでしょう。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(){
    int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
    if(ptr == NULL){
        printf("メモリの確保に失敗しました。\\n");
        return 1;
    }
    *ptr = 100;
    printf("%d\\n", *ptr);
    free(ptr); // メモリを解放
    return 0;
}

この修正されたコードでは、確保したメモリが適切に解放されているため、メモリリークは発生しません。

プログラムの挙動に変わりはありませんが、システムリソースへの影響を最小限に抑えることができます。

●C言語のさらなる学習リソース

C言語の基本的な概念と基本構造を把握したら、さらなる学習リソースを活用して知識とスキルを深化させることが重要です。

次のステップは、実践的なプログラミングスキルを身につけ、複雑な問題を解決するためのプロジェクトに取り組むことです。

そのためには、様々な学習リソースを活用することが役立ちます。

オンライン上には、C言語の教育用コンテンツが豊富に用意されています。

例えば、MOOC(Massive Open Online Course)のプラットフォームでは、大学の講義や専門家によるチュートリアルを無料または低価格で受けることができます。

“Coursera”や”edX”などのプラットフォームには、初級から上級までのC言語に関するコースが提供されています。

また、オンラインコーディングプラットフォームも有用な学習リソースとなります。

“LeetCode”や”HackerRank”のようなプラットフォームでは、実際のコーディング面接で出題されるような問題に取り組むことができます。

これらの問題を解くことで、実際のプログラミングスキルと問題解決能力を磨くことができます。

さらに、”GitHub”のような開発者コミュニティでは、他の開発者とのコラボレーションや、オープンソースプロジェクトへの貢献を通じて、実際の開発経験を積むことができます。

また、多くの優れたC言語のプロジェクトやライブラリが公開されており、これらのコードを読むことで、より深い理解を得ることができます。

さらなる学習を進める上で、自分の学習スタイルに合ったリソースを見つけ、継続的に学び続けることが重要です。

また、理論的な知識だけでなく、実践的な経験を積むことで、より効果的にC言語のスキルを習得できるでしょう。

まとめ

最後までお読みいただき、ありがとうございます。

この記事を通じて、C言語の基本的な理解と、それをどのように使えば良いのか、少なくとも何かのヒントをつかめたら幸いです。

C言語を学ぶというのは、決して容易な道ではありませんが、その報酬はそれだけ価値があります。

C言語をマスターすれば、他の多くの言語の理解が深まり、あなたのスキルセットは大幅に強化されます。

しかし、一つ忘れてはいけないことがあります。

それは、C言語の学習は一度で完結するものではないという事実です。

まさに、他のどんなスキルと同じように、C言語もまた継続的な学習と実践が必要です。

あなたが疑問を抱いたときや、新しい技術を学びたいと思ったときに、この記事があなたのための良きガイドになれれば幸いです。

また、この記事で紹介した概念や技術は、決してC言語の全てではありません。

C言語は広範で深い知識を必要とする言語です。

しかしこの記事を通じて、基本的な概念と構造に慣れ、プログラムの作成と実行ができるようになれば、次のステップへと進むための土台ができるでしょう。

最後に、学習を始める際に最も重要なことは、それが楽しいと感じることです。

プログラミングは、様々な問題解決の道筋を提供し、新しいことを学び、それを実際のコードに適用する楽しさを体験できます。

だからこそ、困難な時でも続けられるのです。最初は難しく感じるかもしれませんが、諦めずに挑戦し続けてください。

あなたの努力は必ずや実を結ぶことでしょう。