C言語/開発環境

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C言語
開発環境

環境構築

環境構築はプログラミング学習で最大の難関です。環境構築がうまくいかず、プログラムを書き始める前に諦めてしまうことも少なくありません。

現在はオンライン実行環境 (Playground)が提供されており、環境構築をせずにC言語を試せるようになりました。これらはインストールが必要なく、OSに関わらず利用できるため、PCはもちろんスマートフォンやタブレットでもC言語を学べます。本格的なプログラムを書くには機能不足ですが、C言語の文法や意味を学ぶには十分でしょう。

この項目では、簡易的なオンライン実行環境や簡易コンパイラのほか、加えて本格的なコンパイラとビルドツールを使った開発手法や統合開発環境についても概説します。

オンライン実行環境

オンライン実行環境は、Webブラウザを介してアクセスし、プログラムの作成や実行が可能な環境です。通常、プログラミング言語やコードエディタが組み込まれており、ユーザーはブラウザ上でコードを書いて実行できます。

オンライン実行環境の利点はいくつかあります：

手軽さと利便性: 特別な設定やインストールが必要なく、Webブラウザがあればどこでも利用できます。これにより、自分のコンピュータに開発環境をセットアップする手間が省けます。
共有とコラボレーション: オンライン実行環境では、作成したコードを簡単に共有し、他の人と協力して作業することができます。コードの共有やレビューが容易になります。
複数の言語やフレームワークのサポート: 多くのオンライン実行環境では、さまざまなプログラミング言語やフレームワークをサポートしています。これにより、異なる言語や技術を学ぶ場としても活用できます。
即時フィードバック: コードを書いた直後に実行結果を確認できるため、プログラムの修正やデバッグが迅速に行えます。これは学習者にとって特に有用です。

一部のオンライン実行環境では、コンパイラやランタイム環境が実際の開発環境と同じであることが保証されています。そのため、ローカル環境での実行と同じ結果が得られることが期待されます。

オンライン実行環境の例

オンライン実行環境には、さまざまなものがあります。以下にいくつか代表的な例を挙げます：

paiza.IO: https://paiza.io/ja; paiza.IOは、日本の企業であるギノ株式会社が提供するオンライン実行環境です。様々なプログラミング言語に対応しており、Webブラウザ上でプログラムを作成して実行できます。特に、競技プログラミングの練習に利用されることが多いです。
Wandbox: https://wandbox.org/; Wandboxは、日本の開発者が運営するオンライン実行環境です。様々なプログラミング言語やコンパイラに対応しており、ユーザーが自由にコードを書いて実行できます。

C言語プログラムの開発におけるビルドサイクル

C言語プログラムの開発において、ビルドサイクルはソースコードを最終的な実行ファイルに変換する一連のプロセスを指します。このサイクルは、開発者がプログラムを修正し、テストし、デバッグするたびに繰り返されます。

一般的なC言語プログラムのビルドサイクルは以下のステップで構成されます。

編集
まず、開発者はテキストエディタや統合開発環境 (IDE) を使用して C言語ソースコードを編集します。ソースコードには、プログラムのロジックと機能を定義する関数、変数、データ構造などが含まれます。
コンパイル
編集が完了したら、ソースコードをコンパイラと呼ばれるプログラムを使用してコンパイルします。コンパイラは、ソースコードを機械語と呼ばれる低レベルのコードに変換します。機械語は、コンピュータが直接実行できる唯一の言語です。

コンパイルプロセスには、以下のサブステップが含まれます。

プリプロセッシング

マクロやインクルードファイルなどの処理を行います。

構文解析

ソースコードがC言語の構文規則に従っているかどうかを検査します。

意味解析

ソースコードの意味を解釈します。

中間コード生成

機械語に近い中間コードを生成します。

最適化

中間コードをより効率的なコードに変換します。

機械語生成

中間コードを最終的な機械語に変換します。

コンパイルが成功すると、コンパイラはオブジェクトファイルと呼ばれるファイルを出力します。オブジェクトファイルには、機械語コードとプログラムで使用される変数や関数のシンボル情報が含まれます。
リンク
次に、リンカと呼ばれるプログラムを使用して、複数のオブジェクトファイルを結合し、最終的な実行ファイルを作成します。リンカは、オブジェクトファイル内のシンボル情報を使用して、プログラムのすべての部分が正しく相互に参照されていることを確認します。

リンクプロセスには、以下のサブステップが含まれます。

シンボル解決

オブジェクトファイル内のシンボルを解決します。

リロケーション

オブジェクトファイル内のコードとデータを最終的なアドレスに配置します。

出力ファイル生成

最終的な実行ファイルを出力します。
実行
最後に、開発者は実行ファイルを実行して、プログラムの動作を確認します。プログラムが期待通りに動作しない場合は、デバッガと呼ばれるツールを使用して、問題を特定し、修正する必要があります。
デバッグ
デバッグプロセスには、以下のステップが含まれます。

問題の特定

プログラムが期待通りに動作しない箇所を特定します。

原因の特定

問題の原因を特定します。

修正

問題を修正します。

再テスト

修正後、プログラムを再テストして、問題が解決されたことを確認します。

上記のように、C言語プログラムの開発におけるビルドサイクルは、編集、コンパイル、リンク、実行、デバッグの各ステップを繰り返すことで構成されます。このサイクルを効率的に回すことで、開発者は高品質なC言語プログラムを作成することができます。

ビルドサイクルを効率化するためのツール

C言語プログラムの開発におけるビルドサイクルを効率化するために、以下のツールが役立ちます。

メイクツール: メイクツールは、ビルドサイクルを自動化するためのツールです。メイクファイルと呼ばれるファイルにビルド手順を記述することで、開発者はコマンドラインで簡単にビルドサイクルを実行できます。
統合開発環境 (IDE): IDEは、コード編集、コンパイル、デバッグなどの機能を備えた統合的な開発環境です。 IDEを使用することで、開発者はビルドサイクルをシームレスに行うことができます。
バージョン管理システム: バージョン管理システムは、ソースコードの変更履歴を管理するためのツールです。 GitやSubversionなどのバージョン管理システムを使用することで、開発者は過去のバージョンに簡単に戻ったり、複数の開発者が同時に同じコードベースで作業したりすることができます。

まとめ

C言語プログラムの開発におけるビルドサイクルは、ソースコードを最終的な実行ファイルに変換する一連のプロセスです。このサイクルを効率的に回すことで、開発者は高品質なC言語プログラムを作成することができます。

ビルドサイクルを効率化するために、メイクツール、IDE、バージョン管理システムなどのツールを活用することが重要です。

開発環境を整える

C言語での開発には、主に以下の要素が必要です。

テキストエディタ: C言語のソースコードを記述するためのテキストエディタが必要です。一般的なテキストエディタとしては、Visual Studio Code、Atom、Sublime Textなどがあります。これらのエディタは、カスタマイズ可能でシンタックスハイライトやコード補完などの機能を提供します。
コンパイラ: C言語のソースコードを機械語に変換するためのコンパイラが必要です。代表的なC言語のコンパイラには、GCC(GNU Compiler Collection)やClangがあります。これらのコンパイラは、多くのプラットフォームで利用可能であり、標準規格に準拠しています。
デバッガ: プログラムの動作を調査し、バグを修正するためのデバッガが必要です。GDB(GNU Debugger)やLLDB(LLVM Debugger)などのデバッガが利用できます。これらのツールは、プログラムの実行を一時停止したり、変数の値を確認したりする機能を提供します。
ビルドツール: 複数のソースファイルからプログラムを構築するためのビルドツールが必要です。makeやCMakeなどのビルドツールを使用して、プログラムのビルドプロセスを自動化することができます。これにより、ソースコードの変更を追跡し、必要なファイルだけを再コンパイルすることができます。

これらの要素を組み合わせて、効率的なC言語の開発環境を構築することができます。

コンパイラ

GNU Compiler Collection (GCC)

概要: C、C++、Objective-C、Fortran、Java、Ada、Goなどのコンパイラ。
ライセンス形態: フリーソフトウェア
プラットフォーム: クロスプラットフォーム
公式サイト: https://gcc.gnu.org/

LLVM/Clang

概要: LLVMはモジュール化された再利用可能なコンパイラとツールチェーン技術の集合体。ClangはC、C++、Objective C/C++、OpenCL、CUDA、RenderScriptのコンパイラフロントエンド。
ライセンス形態: イリノイ大学/NCSAオープンソースライセンス
プラットフォーム: クロスプラットフォーム
公式サイト: https://clang.llvm.org/

C++ Builder

概要: エンバカデロ社のコンパイラ。C++ Builderコンパイラは、Borland C++ Compilerを買収したもの。
ライセンス形態: 商用利用あり
プラットフォーム: 未指定
公式サイト（無料版）: https://www.embarcadero.com/jp/products/cbuilder/starter/free-download

統合開発環境（IDE）

Visual Studio Community

Visual Studio Community をインストールする手順は以下の通りです。

Visual Studio のダウンロード: まず、Visual Studio の公式ウェブサイトにアクセスします。
ダウンロードオプションの選択: サイトにアクセスすると、異なるエディションやバージョンの Visual Studio が表示されます。Visual Studio Community を選択します。
ダウンロード: 選択したエディションをクリックし、ダウンロードページに移動します。ここで、"ダウンロード" ボタンをクリックします。
インストール: ダウンロードしたインストーラーを実行します。これには、通常、ダブルクリックして実行するか、ブラウザのダウンロードフォルダーから実行することが含まれます。
インストールオプションの選択: インストーラーが起動すると、インストールするコンポーネントやオプションを選択する画面が表示されます。必要なコンポーネントを選択し、"インストール" をクリックします。
インストールの進行状況の待機: インストールが進行するのを待ちます。これには時間がかかる場合がありますので、忍耐強く待ちます。
Visual Studio の起動: インストールが完了したら、Visual Studio を起動して使用できるようになります。

これで Visual Studio Community のインストール手順が完了しました。必要に応じて、追加の拡張機能やパッケージをインストールして、開発環境をカスタマイズすることもできます。

コンパイラの追加

Visual Studioの初期設定ではコンパイラが付属していないため、追加の設定が必要です。
プロジェクトを作成する際に、「C++によるデスクトップ環境」や「ユニバーサルWindowsプラットフォーム環境」のコンポーネントを追加インストールしてください。これにより、C言語用のコンパイラも含まれます。

新規ファイルの作成

Visual Studioで新規のファイルを作成する際には、C++用の「コンソールアプリ」を選択します。

C++モードからC言語モードへの切り替え

プロジェクトを作成すると、デフォルトでC++モードになっています。C言語を使用する場合は、ソースファイルの拡張子を.cに変更してC言語モードに切り替えてください。

Visual Studio Community を効果的に利用するためには、これらの手順を熟知しておくことが重要です。開発環境の設定や使い方をマスターし、効率的なプログラミング作業を行いましょう。

Visual Studio Community のデバッグセッションの設定

Visual Studio Community を使用する際に、デバッグセッションの終了時にコンソールが自動的に閉じてしまう場合があります。この問題を解決するためには、次の手順を行います。

Visual Studioを開きます。
[ツール]メニューから[オプション]を選択します。
[デバッグ]セクションを選択します。
[デバッグの停止時に自動的にコンソールを閉じる]オプションを無効にします。

これにより、デバッグセッションの終了時にコンソールが自動的に閉じなくなります。これは、プログラムがエラーで終了した場合などにデバッグ情報を確認するために便利です。

Visual Studio Community を使用する際には、この設定を適切に行うことで、よりスムーズな開発作業が行えるようになります。

基本的なビルド手順

C言語でのプログラムのビルド手順は、一般的に以下のような流れになります。

ソースコードの作成: テキストエディタなどを使用して、C言語でプログラムのソースコードを作成します。拡張子は通常.cです。
コンパイル: 作成したソースコードをコンパイラでコンパイルし、機械語に変換します。コンパイルによって生成されるのは、オブジェクトファイル（拡張子.oまたは.obj）です。コンパイルのコマンドは、一般的に次のようになります。
```
cc -c main.c -o main.o
cc -c util.c -o util.o
cc -c misc.c -o msc.o
```
ここで、ccはCコンパイラを表し、-cオプションはコンパイルだけを行うことを指定します。

main.c,util.c,misc.c はソースファイル

main.o,util.o,misc.o はオブジェクトソースファイル
リンク
コンパイルされたオブジェクトファイルをリンカで結合し、実行可能なプログラムを生成します。

リンクのコマンドは、一般的に次のようになります。
```
cc main.o util.o misc.o -o my-exec
```
実行
生成された実行ファイルを実行します。
```
./my-exec
```

これらの手順を順番に実行することで、C言語で作成したプログラムをビルドして実行することができます。また、ビルド手順を自動化するために、ビルドツール（例: make）を使用することもあります。

コンパイラごとの特徴

異なるコンパイラには、それぞれ独自の長所と短所があります。開発者は、プロジェクトの要件やターゲットプラットフォーム、パフォーマンス要求などに応じて、最適なコンパイラを選択する必要があります。

以下に、いくつかの主要なコンパイラの特徴を示します。

GCC (GNU Compiler Collection): オープンソースであり、多くのプラットフォーム(Unix系OSやWindows、macOSなど)で利用可能; C/C++/Fortranなどの言語に加え、Ada、Go、D言語などの多くの言語をサポート; 標準規格への準拠度が高く、C/C++の機能を広範にサポート; 豊富な最適化オプションを提供し、効率的なコード生成が可能; 拡張機能やコンパイラのオプションが豊富で、柔軟性が高い
Clang: LLVMプロジェクトの一部であり、オープンソースかつ高速なコンパイラ; モジュール化された設計により、拡張性が高く、C/C++/Objective-C/Objective-C++/C++/OpenCLなどの言語に対応; 厳密な警告やわかりやすいエラーメッセージを提供し、コードの品質向上に貢献; モダンなC++機能をサポートし、C++言語の最新規格に迅速に対応
Microsoft Visual C/C++ Compiler (MSVC): Microsoftが提供するコンパイラで、Windowsプラットフォーム向けに特化; Visual Studioとの統合が強力で、Windowsアプリケーション開発において優れたツールセットを提供; Windows固有のAPIへのアクセスや、Visual Studioのデバッグ機能とのシームレスな統合を実現; 最新のC++規格への対応が遅れがちだが、マイクロソフト独自の拡張機能が豊富
Intel C/C++ Compiler: Intelが提供するコンパイラで、Intelプロセッサに特化した最適化を提供; SIMD命令やスレッド並列化などの高度な最適化が可能で、性能の向上が期待できる; 高度なベクトル化やメモリアクセス最適化に強みがあり、科学技術計算やハイパフォーマンスコンピューティング向けのアプリケーションで広く利用されている; インテルのCPUアーキテクチャの進化に合わせて、新しい命令セットに対応
TCC (Tiny C Compiler): Fabrice Bellingによって開発された小型のCコンパイラ; コンパイル速度が非常に速く、スクリプト言語のようにインタラクティブに使用できる; コードサイズが小さいため、組み込みシステムなどのリソース制約環境に適している; ANSI C99に準拠しており、一部のGNU拡張機能もサポートしている
PCC (Portable C Compiler): 昔からある非常にポータブルなCコンパイラで、多くの環境で動作する; コンパクトで単純な設計のため、新しい環境への移植が容易; BSD UNIXシステムにバンドルされていたことから、Unix系OSで広く使用された歴史がある; 現在はオープンソースプロジェクトとして継続開発が行われている

これらのコンパイラは、それぞれターゲットとするユースケースが異なるため、開発者は目的やプロジェクトの要件に合わせて、適切なコンパイラを選択する必要があります。また、ビルドツールやIDEとの統合性、サポート体制なども考慮する必要があります。

脚註

参考文献

国際標準化機構/国際電気標準会議 ISO/IEC 9899:2018(en) Information technology — Programming languages — C(2018-07-05)
日本工業標準調査会（当時、現：日本産業標準調査会）『JISX3010 プログラム言語Ｃ』2003年12月20日改正