for文 | Programming Place Plus　新C++編

このページの概要 🔗

このページでは、for文を説明します。for文を理解すると、同じコードを何度も何度も繰り返し実行させられるようになります。これまでのページで少しずつ改良を続けてきた電卓のプログラムをさらに改造して、計算式を何度も入力・実行できるようにしてみましょう。

このページの解説は C++14 をベースとしています。

以下は目次です。要点だけをさっと確認したい方は、「まとめ」をご覧ください。

• ループ構造（反復構造）
• for文
  • 一定の回数だけループする
  • インクリメント
  • ブロック文
• 電卓プログラムでの利用例
• ループ内の変数
• 前置インクリメントと後置インクリメントの違い
• デクリメント
• まとめ
• 練習問題
• 参考リンク
• 更新履歴

ループ構造（反復構造） 🔗

「switch文」のページでは、switch文を使って、実行する処理を切り替えられることを説明しました。電卓プログラムは、入力された演算子の種類に応じて計算する式を切り替えられるようになり、少し電卓らしくなりました。

しかし、今の電卓プログラムには、実行するたびに１つの入力と計算しかできないという不満が残っています。色々な式の入力を繰り返したいと思ったら、プログラムを再度実行しなおす必要があります。このページではこの問題の解決に取り組むことにします。

必要なことは、さきほど文章の中にちらっと登場した「繰り返し」です。プログラミングではよく、ループ (loop) という言葉で表現しますが、同じコードを何度も繰り返し実行する構造のことをいいます。

やりたいことを書き表すとこうなります。

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    constexpr auto addition = '+';
    constexpr auto subtraction = '-';
    constexpr auto multiplication = '*';
    constexpr auto division = '/';

    // ここから ------>
    std::cout << "Please enter the formula.\n";
    int value1 {};
    std::string op {};
    int value2 {};
    std::cin >> value1 >> op >> value2;

    switch (op[0]) {
    case addition:
        std::cout << value1 + value2 << "\n";
        break;
    case subtraction:
        std::cout << value1 - value2 << "\n";
        break;
    case multiplication:
        std::cout << value1 * value2 << "\n";
        break;
    case division:
        std::cout << value1 / value2 << "\n";
        break;
    default:
        std::cout << "The formula is incorrect.\n";
        break;
    }
    // <----- ここまでのコードを、気が済むまで繰り返したい
}

コメントで書いたとおりですが、電卓プログラムの中核となっている部分、つまり「入力を受け取って、計算して、結果を出力する部分」を何度も繰り返したいということです。

ループさせるものは「まったく同じ内容の処理」ではなく「同じコード」であることに注意してください。変数を使っているコードをループさせるのなら、その変数に入っている値は毎回異なるかもしれませんし、入力を受け取るコードをループさせるのなら、実際に入力されてくるデータは毎回異なるでしょう。

繰り返す回数が固定的であれば、コードを必要な回数分だけコピーアンドペーストすることで、無理やり実現させることも不可能ではありませんが、プログラムが肥大化して管理しづらくなりますし、プログラマーの労力も大きいです（1万回繰り返したいといわれたらどうしますか？）。また、今回の電卓プログラムのように、繰り返す回数が固定的でなく、“実行した人がやめたくなるまで” のようなケースでは、どれだけコピーアンドペーストしていいのか分かりませんから、この方法では実現できません。

for文 🔗

C++ でループを実現する方法はいくつかあります。このページではそのうちの１つである for文 (for statement) を取り上げます。

for文の文法は次のようになっています。

for (初期化文 条件式; 式)
    繰り返したい文

これまでのページでも何度か説明していますが、「式」と「文」はきちんと区別しましょう。

式は、評価されて（計算などをして）値になるものです。たとえば、n + 5 は式であり、評価（変数 n の値に 5 を加算する）して、値（計算結果）になります。値になるので、それをさらに代入することが可能です（たとえば、answer = n + 5）。代入も式なので、さらに連結して、value = answer = n + 5 のようにつないでいけます。

文は、いくつかの式を含んだものですが、最終的な値がありません。一連の式の処理がすべて落ち着くまでが１つの文といえます。たとえば、さきほどの最後の式の末尾に ; を付けて、value = answer = n + 5; とすると、これ全体で、一連の式が完結した１つの文になります。

n + 5 は式、n + 5; は文ですから、構文を書き表すときには、「文;」という表現は正しくなくて、「式;」か「文」とすべきです。さきほどの for文の文法に戻ると、「初期化文」「繰り返したい文」には ; を付けていません。「条件式」には ; を付けています。「式」には ; がありませんが、これは ) で終わりが分かるからです。

本当は最後の「式」にも ; が付いたほうが一貫性があるという考え方もありますが、少なくとも C++ はそうなっていません。; を入れるとコンパイルエラーになってしまいます。

for (int i = 0; i < 3; i = i + 1)
    std::cout << "Hello\n";

Hello
Hello
Hello

for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    std::cout << "Hello\n";
}

for (int i = 0; i < /*繰り返す回数*/; ++i) {
    //
    // 繰り返したい処理
    //
}

++変数名
変数名++

for (初期化文 条件式; 式)
    繰り返したい文

for (int i = 0; i < 3; ++i)
    std::cout << "Hello, World.\n";

for (int i = 0; i < 3; ++i)
    std::cout << "Hello, ";
    std::cout << "World.\n";

電卓プログラムでの利用例 🔗

ブロック文を使えば、for文の「繰り返したい文」のところに複数の文が書けるので、このページの目的であった、電卓プログラムの改良ができます。

とりあえず、５回繰り返すようにしてみます。

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    constexpr auto addition = '+';
    constexpr auto subtraction = '-';
    constexpr auto multiplication = '*';
    constexpr auto division = '/';

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Please enter the formula.\n";
        int value1 {};
        std::string op {};
        int value2 {};
        std::cin >> value1 >> op >> value2;

        switch (op[0]) {
        case addition:
            std::cout << value1 + value2 << "\n";
            break;
        case subtraction:
            std::cout << value1 - value2 << "\n";
            break;
        case multiplication:
            std::cout << value1 * value2 << "\n";
            break;
        case division:
            std::cout << value1 / value2 << "\n";
            break;
        default:
            std::cout << "The formula is incorrect.\n";
            break;
        }
    }
}

実行結果：

Please enter the formula.
1 + 2   <-- 入力した式
3
Please enter the formula.
10 - 1   <-- 入力した式
9
Please enter the formula.
3 * 5   <-- 入力した式
15
Please enter the formula.
5 / 2   <-- 入力した式
2
Please enter the formula.
-1 + 3   <-- 入力した式
2

うまくいっているようです。

さて、こうなると新たな不満点が出てきます。なにより、なぜ５回なのかという点が気になります。普通、「電卓の利用者の用事が済むまで」繰り返すべきです。５回では足りないかもしれないし、多すぎるかもしれません。

しかし、終わりたいときに終了できるようにするには、まだ少し知識が足りません。この問題にはこの先のページで取り組んでいくことにして、ここからは for文に関するほかの話題を続けます。

ループ内の変数 🔗

さきほどの電卓プログラムでは、for文の内側に変数の宣言があります（value1、op、value2）。

for文の内側にに変数の宣言を書いた場合、処理がループして、その宣言位置にやってくるたびに、新しい変数として初期化しなおされます。前のループのときの値を引き継ぐようなことはありません。

もし、前のループで計算した値を、次のループで使いたい、といった場合には、for文の外側で宣言する必要があります。

たとえば、整数の入力を５回行わせて、最後にその合計値を出力させるプログラムを作りたいとします。この場合、これまでの入力の合計値を覚えておく変数が必要ですが、その変数は for文の外側で宣言しなければなりません。

#include <iostream>

int main()
{
    int total {0};

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Please enter the integer.\n";
        int value {};
        std::cin >> value;

        total += value;
    }

    std::cout << "total = " << total << "\n";
}

実行結果：

Please enter the integer.
6   <-- 入力した整数
Please enter the integer.
3   <-- 入力した整数
Please enter the integer.
5   <-- 入力した整数
Please enter the integer.
1   <-- 入力した整数
Please enter the integer.
8   <-- 入力した整数
total = 23

前置インクリメントと後置インクリメントの違い

for文の話から外れますが、前置インクリメントと後置インクリメントで違いがうまれる場面を確認しておきます。違いがうまれるのは、結果をほかの変数に入れる場合です。

#include <iostream>

int main()
{
    int value {};
    int result {};

    value = 10;
    result = ++value;
    std::cout << value << ", " << result << "\n";

    value = 10;
    result = value++;
    std::cout << value << ", " << result << "\n";
}

実行結果：

11, 11
11, 10

変数 value の値が 10 のときに、前置・後置それぞれのインクリメントを行い、その結果を変数 result に代入しています。

いずれの場合でも、変数 value の値は 11 になっていますが、変数 result の方は、前置インクリメントでは 11、後置インクリメントでは 10 となっています。このような違いが生まれるのは、前置のインクリメント演算子と後置のインクリメント演算子では、次のようにルールの違いがあるからです。

前置の場合、オペランドが +1 され、式の評価結果はインクリメント “後” の値になります。^[2]

後置の場合、オペランドが +1 され、式の評価結果はインクリメント “前” の値になります。^[3]

ここでの「式」とは ++value や value++ のことであり、オペランドは value のことです。

そのため、result = ++value では、value の値が +1 され、インクリメント演算子の式の評価結果はインクリメント後の値です。評価結果を result に代入するので、元の value が 10 だったのなら、value は 11 ですし、result も 11 になります。

一方、result = value++ では、value の値が +1 され、インクリメント演算子の式の評価結果はインクリメント前の値です（元の値が 10 なら 10 のまま）。評価結果を result に代入するので、value は 11 ですが、result は 10 です。

【上級】インクリメントと代入をおこなう式について、次のような説明がなされることがありますが、これは間違っています。
- 前置では、先にインクリメントして、そのあと代入される
- 後置では、まず代入して、その後でインクリメントされる
しかし、演算子の優先順位からいって、インクリメントよりも代入のほうが後です。つまり、“y = ++x は y = (x = x + 1) と等価であり、y = x++ は y = (t = x, x = x + 1, t) と等価です”^[4]。

デクリメント 🔗

インクリメントが登場したついでに、デクリメント (decrement) にも触れておきます。デクリメントは、値を -1 する操作のことです。

デクリメントを簡潔に記述するために、デクリメント演算子 (decrement operator) があります。記号は -- です。

デクリメント演算子の文法や、挙動はインクリメント演算子とまったく同じです。+1 だったのが -1 になるだけです。

--変数名
変数名--

【上級】正確には、「変数名」ではなく「式」です。

実行できるプログラムを挙げておきます。

#include <iostream>

int main()
{
    int value {};
    int result {};

    value = 10;
    result = --value;
    std::cout << value << ", " << result << "\n";

    value = 10;
    result = value--;
    std::cout << value << ", " << result << "\n";
}

実行結果：

9, 9
9, 10

まとめ 🔗

• 同じコードを何度も繰り返し実行する構造を、ループという
• ループを実現する方法の１つとして、for文がある
• for文は、for (初期化文 条件式; 式) 繰り返したい文 という構文をしており、次の順番に処理される
  1. 「初期化文」を実行
  2. 「条件式」を判定。条件が満たされていたら 3 へ。満たされていなかったら終わり
  3. 「繰り返したい文」を実行
  4. 「式」を実行。２へ戻る
• 「繰り返したい文」は１文しか書けない。複数の文が必要なら、ブロック文を用いる
  • ブロック文は、{ と } で囲まれた０個以上の文のこと
• for文を使って、コードをｎ回実行させる常套句は for (int i = 0; i < n; ++i) {...} である（… に繰り返したいコードを記述する）
• インクリメント演算子 ++ は、変数の値を +1 する（++i または i++）
• デクリメント演算子 -- は、変数の値を -1 する（--i または i--）
• インクリメント演算子とデクリメント演算子には、演算子を変数名の手前に置く前置と、後ろに置く後置がある。代入と組み合わせると違いがうまれる
  • a = ++b; では b が +1 され、その結果が a に代入される
  • a = b++; では b が +1 され、a にはインクリメント前の b の値が代入される
• for文の内側で宣言した変数は、ループのたびに初期化される

新C++編の【本編】の各ページには、末尾に練習問題があります。ページ内で学んだ知識を確認する簡単な問題から、これまでに学んだ知識を組み合わせなければならない問題、あるいは更なる自力での調査や模索が必要になるような高難易度な問題をいくつか掲載しています。

参考リンク 🔗

• 1. C++ standard working draft N4140 §1.9 Program execution | 14882: Contents
  • i = i++ のような式が未定義の動作であることについて
• 2. C++ standard working draft N4140 §5.3.2 Increment and decrement | 14882: Contents
  • 前置インクリメント演算子の仕様
• 3. C++ standard working draft N4140 §5.3.2 Increment and decrement | 14882: Contents
  • 後置インクリメント演算子の仕様
• 4. 『プログラミング言語C++ 第４版』P.284
  • 前置インクリメントと後置インクリメントを使った代入式について、等価となる式の例示を引用
• Programming Place Plus　新C++編　参考書籍
  • 当サイトの参考書籍一覧ページ。C++ に関する書籍を多数紹介
• Programming Place Plus　新C++編　リンク集
  • 当サイトの参考Webサイト集。C++ の全般的な学習に有益なサイトを紹介

練習問題 🔗

問題の難易度について。

• (確認★) このページの内容の理解を確認する問題
• (基本★～★★) このページの内容を使って解く問題
• (応用★★～★★★) このページまでに学んだことを活用して、現実的な問題を解決する問題
• (調査★★～★★★) 自力で情報を探したり、模索したりする問題
• (発展★★★) プログラムの改善など、より上を目指すような問題

★は、すべての方が取り組める入門レベルの問題です。
★★は、自力でプログラミングができるようなるために、入門者の方であっても取り組んでほしい問題です。
★★★は、本格的にプログラマーを目指す人のための問題です。

#include <iostream>

int main()
{
    for (int i = 0; i < 0; ++i) {
        std::cout << "Hello\n";
    }
}

#include <iostream>

int main()
{
    int value {0};

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        value += i;
    }
    std::cout << value << "\n";
}

1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 4 6 8 10 12 14 16 18
3 6 9 12 15 18 21 24 27
4 8 12 16 20 24 28 32 36
5 10 15 20 25 30 35 40 45
6 12 18 24 30 36 42 48 54
7 14 21 28 35 42 49 56 63
8 16 24 32 40 48 56 64 72
9 18 27 36 45 54 63 72 81

更新履歴 🔗

• ’2020/11/29
  • constexpr変数の識別子に、すべて大文字の名前を使うのをやめた
• ’2020/8/7
  • 新規作成

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