入力と変数 | Programming Place Plus　新C++編

このページの概要

このページでは、データをソースコードに書き込むのではなく、プログラムを実行してから、人間が入力するかたちを実現します。いよいよ、実行結果が固定的でないプログラムを作れるようになります。

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。

• 計算をコンパイル時から実行時へ
• std::cin
• 変数
  • 宣言
  • 一様初期化
    • constexpr変数の場合
• 入力を受け取る
• 入力を１度に受け取る
• 入力処理の難しさ
• まとめ
• 練習問題
• 参考リンク
• 更新履歴

計算をコンパイル時から実行時へ

これまで、すべてのデータはリテラルで記述し、定数式で計算を行いました。この方法でもプログラムを作ることはできたわけですが、定数式の計算は、コンパイル時に終わっていますから、実行結果はいつも同じになります。これでは実用上は問題があります。

「定数式と識別子」のページでも書いたように、「3 + 5」しかできない電卓には価値はありません。計算に使う数は自由に変えたいですし、計算式も好きに変えたいです。それができてはじめて、実用的なプログラムになったといえるでしょう。とはいえ、計算式自体を自由に変えるのは、まだまだハードルが高い目標なので、ここではまず、数の部分だけを変えられるようにします。「3 + 5」でも「10 + 20」でも「10 + 3」でもできるようになることを目指しましょう。

このような自由度を得ようと思ったら、定数式は使えません。計算がコンパイル時に終わってしまってはいけないからです。ソースコードを書き換えれば数を変えられますが、ソースコードは “あなた” が読み書きするものであって、プログラムを使ってくれる “ほかの誰か” が読み書きできるとは考えられません。

「“ほかの誰か” ＝ “あなた”」である可能性はありますし、学習段階ですから多分そうなのでしょうけど、ソフトウェア開発では、“自分とはちがう誰か”（つまりお客様）を意識しなければなりません。

そこで、プログラムを実行してから、数を入力してもらうという方法を採ることになります。そうすることで、計算を行うタイミングが、コンパイル時から、実行した後（これを実行時 (runtime) といいます）になります。

数の入力には、キーボードを使います。

画面に「0～9」までの数字が書かれたボタンのようなものを表示して、マウスやタッチ操作で選んでもらう方法も考えられますし、「電卓」をイメージするのなら、それが自然でしょう。しかし、こういうグラフィカルな表現は、C++ の標準機能だけでは実現できません（C++ で実現できないのではなく、「標準機能にはない」ということです）。

std::cin

キーボードから入力を受け取るためには、C++ に標準で用意されている入力機能を使います。

これまで使ってきた std::cout は、C++ に標準で用意されている “出力” の機能でした。“入力” の機能のほうは、std::cin です。なお、std::cin を使うときにも、#include <iostream> の記述が必要です。

std::cin を使うときの記述は、次のようになります。

std::cin >> 入力されたデータを受け取る場所;

>> の部分ですが、std::cout のときとは逆を向いた記号であることに注意してください。出力と入力とでは方向が逆だということを示しているといえます。

「入力されたデータを受け取る場所」が入力処理での１つのポイントになります。入力されたデータは、どこかに場所を用意してあげて、そこにいったん保存する必要があります。

ここで「場所」というのは、コンピュータに内蔵されているメモリ (memory) という記憶装置の一部分のことです。こういうと難解な感じもしますが、ソースコードに書くことはそれほど難しいものではありません。必要なのは、このあと説明する「変数」という機能を理解することだけです。

単にメモリと表記することが多いですが、実際にはメインメモリ（主記憶）のことです。

なお、std::cin を使って、整数以外のデータ、たとえば Hello のような文字の並びを入力することも可能ですが、このページではいったん、整数の入力の話題に集中します。

変数

前の項で、入力データを受け取る「場所」が必要だと書きました。変数 (variable) はその「場所」を、ソースコード上で表現する手段です。

「定数式と識別子」のページで、constexpr変数という機能が登場しました。constexpr変数と、単なる「変数」の違いは、コンパイル時にその内容が確定するかどうかです。

constexpr変数はコンパイル時にその内容が確定されています。そのため、実行してから入力されるデータを受け取る場所としては使えません。

#include <iostream>

int main()
{
    constexpr auto age = 25;      <-- constexpr変数

    std::cin >> age;              <-- エラー
    std::cout << age << "\n";     <-- OK
}

対して、変数のほうは、コンパイル時にはその内容は確定せず、実行時に決まります。そのため、実行してから入力されるデータを受け取る場所として使えます。

型 識別子 = 初期値;

int 識別子 = 初期値;

int age = 初期値;

int age = 25;

#include <iostream>

int main()
{
    constexpr auto adult_age = 20;
    int age = adult_age;

    std::cout << age << "\n";
}

20

#include <iostream>

int main()
{
    int age = 25;
    int age2 = age;
    int age3 = age + 10;

    std::cout << age << "\n";
    std::cout << age2 << "\n";
    std::cout << age3 << "\n";
}

25
25
35

型 識別子 {初期値};

int age {25};

int age {};

#include <iostream>

int main()
{
    constexpr int adult_age {20};
    int age = adult_age;

    std::cout << age << "\n";
}

20

入力を受け取る

では、std::cin と変数を使ったプログラムを作ってみます。

「〇＋△」のような足し算をするために、〇と△に入れる整数を入力してもらうことにします。 〇のために value1、△のために value2 という変数を宣言します。

#include <iostream>

int main()
{
    int value1 {};
    std::cin >> value1;

    int value2 {};
    std::cin >> value2;

    std::cout << value1 + value2 << "\n";
}

実行結果：

3   <-- 入力した整数。最後に Enterキーを押している
5   <-- 入力した整数。最後に Enterキーを押している
8

変数の宣言を記述する位置にはある程度自由度があります。たとえば、main関数の最初のところにまとめて書くのでもいいのですが、基本的には、実際にその変数を使う直前で宣言することを勧めます。これはソースコードを理解しやすくするためです。

【Ｃ言語プログラマー】古い時代のＣ言語に慣れたプログラマーは、変数宣言を関数の先頭にまとめがちですが、それは C++ では実行効率を落とす原因にもなるのでやめた方がいいです。ちなみにＣ言語でも、C99規格からは関数やブロックの先頭で宣言する必要はなくなっています。

実行すると、何も出力されないまま止まった状態になります。このとき、std::cin が入力を待っています。この状態で、キーボードから整数を入力して、Enterキーを押すと確定できます。入力する整数は負数でも構いません。

すると、入力された整数が変数に格納されます。１回目の入力データは変数 value1 に、２回目の入力データは変数 value2 に格納しています。

最後に、value1 と value2 の値を加算演算子で足し合わせて、その結果を std::cout を使って出力しています。

リテラルや constexpr変数のときと同様に、変数も計算に使えます。変数の場合は、その値を使って計算が行われます。value1 に格納された値が 3、value2 に格納された値が 5 であれば、value1 + value2 とは 3 + 5 のことです。

このプログラムを、そのままもう１度実行して、「10」と「20」を入力すれば、「30」という出力が得られます。ソースコードを書き換えたり、ビルドをし直したりすることなく、さまざまな計算ができるようになったわけです。本物の電卓の柔軟さに一歩近づきました。

ところで、このプログラムを実行すると、入力を待ち受ける状態で一時停止します。私たちはプログラムの内容を知っているので問題ないですが、プログラムの内容を知らない人が実行したら、何が起こっているのか理解できないでしょう。

そこで、入力を待ち受ける直前、つまり std::cin を使う直前で、ガイドとなるメッセージを出力するようにします。入力させるデータの意味（たとえば年齢）や、有効な範囲（たとえば、1～100 の整数）といったものも伝えるようにするといいでしょう。

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Please enter the first integer.\n";
    int value1 {};
    std::cin >> value1;

    std::cout << "Please enter the second integer.\n";
    int value2 {};
    std::cin >> value2;

    std::cout << value1 + value2 << "\n";
}

実行結果：

Please enter the first integer.
3   <-- 入力した整数。最後に Enterキーを押している
Please enter the second integer.
5   <-- 入力した整数。最後に Enterキーを押している
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これで状況が分かりやすくなります。

入力を１度に受け取る

さきほどは、２つの整数の入力を受け取るために、std::cin を２回使いました。

std::cout << "age: " << age << \n"; のように書いて、１度に２つ以上の出力ができるのと同じで、std::cin も１度に２つ以上の入力を受け取れます。そのように書き換えるとこうなります。

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Please enter two integers.\n";
    int value1 {};
    int value2 {};
    std::cin >> value1 >> value2;

    std::cout << value1 + value2 << "\n";
}

実行結果：

Please enter two integers.
3 5  <-- 入力した整数。あいだにスペースキー、最後に Enterキーを押している
8

複数の入力を受け取る場合は、入力の際に、スペース（空白）を挟む必要があります。この例では、「3」「スペースキー」「5」「Enterキー」の順番で入力しました。

最初に入力した整数が value1 に格納され、次に入力した整数が value2 に格納されます。

入力処理の難しさ

入力は、単純に出力の反対、という程度に思われるかもしれません。しかし、割と単純で簡単にできる出力とちがって、入力はそう簡単ではありません。入力の処理には特有の難しさがあります。

まず、入力されるデータが想定した種類のものであるという保証がありません。このページで取り上げたプログラムでは、整数が入力されることを期待していますが、「abcde」のように整数ではないものが入力される可能性があります。

入力されるデータの個数も、想定どおりに与えられる保証がありません。２つの整数を入力して欲しかったのに、１つしか入力されなかったり、３つ以上入力されたりするかもしれません。

入力されるデータの範囲も、想定どおりである保証もありません。扱いきれないほど巨大な数であったり（100000000000000000000000000000000000000）、正の数であってほしいのに負数が入力されたりするかもしれません。

このように、入力の処理では、「想定外のデータが入力される」可能性を考えなければなりません。想定していなかったからといって、プログラムが異常な動作を取ってはならないのです。

しかし、こういった問題に完璧に対処することは、少なくともここまでの知識では無理です。今のところは、自分で作ったプログラムを自分で動かすだけなので、いつも想定どおりの入力が与えられるという前提で進めていくことにします。

まとめ

• std::cin を使って入力を受け取れる（std::cin >> v; のように）
• 複数の整数の入力を受け取る場合は、std::cin >> v1 >> v2; のようにして、10 20 のようにスペースで区切って入力する
• 変数を使って、プログラムを実行してから決まるデータを実現できる
• 変数はつねに１つの値をもつ
• 変数を使うには宣言が必要である
• 変数を宣言するとき、型、識別子、初期値を与える（int age {25}; のように）
• 初期値を {} とすれば、デフォルトの値で初期化される（int なら 0）
• { と } を使って初期値を与えるこの記法は、一様初期化と呼ぶ
• int age = 25; のような宣言記法もあるが、古い方法である
• 整数をあつかう型は int である
• constexpr auto N {10}; のように、auto と一様初期化を組み合わせると、想定した結果にならない（C++17 で解消された）

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。