プログラミングC
第8回 演習問題

問題2(構造体の入れ子構造)

以下のように、2次元平面上の点を表すためにXY型の構造体と それを使って円を表すためのCIRCLE型構造体を宣言した。 CIRCLE型構造体は中心点をXY型構造体，半径、直径、周長と面積をそれぞれdouble型の変数で表現している。

typedef struct{
	double x; /* x座標 */
	double y; /* y座標 */
}XY; /* 平面上の点 */

typedef struct{
    XY center;
    double radius;
    double diameter;
    double circumference;
    double area;
}CIRCLE; /* centerを中心点、radiusを半径とする円。diameterは直径、circumferenceは周長、areaは面積 */

この構造体を使用して2次元平面上の円の情報をキーボードから入力させ、その内容を表示するプログラムを作成しなさい。
(提出ファイル名 prog02.c)

2次元平面上の円は、中心の座標と、その円周上の任意の1点の座標が決まれば定義できるので、これらを入力させることにする。 半径や直径、周長、面積は入力後に計算して求めるものとする。

円の定義情報の入力は、以下のプロトタイプ宣言例にあるように、 値の受渡し方法が異なる2種類の関数を作成して用いる。

CIRCLE inputCircle(void);   /* データを読み込んだ構造体を戻す */
void inputCirclePtr(CIRCLE *); /* 構造体のポインタを渡し、そこにデータを読み込む */

どちらの関数も、円の定義情報の入力の受付と、それに基づく円の情報のCIRCLE型構造体の変数への格納を行う。このとき、円周上の1点の座標は、CIRCLE構造体のメンバとして格納することはできないため、入力処理を行う関数の中で別途XY型構造体変数を定義して使うと良い。

main関数の中ではこれらの関数をそれぞれ1度づつ呼び出し、その結果を表示する。

% ./a.out
構造体を返す関数 (inputCircle):
円の中心点の座標と円周上の1点の座標を入力:
0.0 0.0 2.0 0.0
Circle1:
  Center, Radius : (0.000000, 0.000000), 2.000000
  Diameter, Circumference, Area : 4.000000 12.566371, 12.566371

構造体ポインタを使う関数 (inputCirclePtr):
円の中心点の座標と円周上の1点の座標を入力:
0.0 0.0 2.0 0.0
Circle2:
  Center, Radius : (0.000000, 0.000000), 2.000000
  Diameter, Circumference, Area : 4.000000 12.566371, 12.566371
% ./a.out
構造体を返す関数 (inputCircle):
円の中心点の座標と円周上の1点の座標を入力:
-2.0 -2.0 -2.0 -3.0
Circle1:
  Center, Radius : (-2.000000, -2.000000), 1.000000
  Diameter, Circumference, Area : 2.000000 6.283185, 3.141593

構造体ポインタを使う関数 (inputCirclePtr):
円の中心点の座標と円周上の1点の座標を入力:
-2.0 -2.0 -2.0 -3.0
Circle2:
  Center, Radius : (-2.000000, -2.000000), 1.000000
  Diameter, Circumference, Area : 2.000000 6.283185, 3.141593

本プログラムにおいて、math.hをインクルードすることで， 円周率を表すマクロM_PIや、平方根を計算するsqrt関数を使用できる。
math.hをインクルードする場合，コンパイル時にはgcc -lm prog02.cのように -lmオプション指定を加えるのを忘れないこと。

問題3(構造体引数と構造体ポインタ引数)

#define N 600000 /* 試行回数 */

typedef struct{
    int data[N]; /* N個の要素を持つ配列 */
    int count[6]; /* 各出目の回数 */
}DiceRollData;

1. 提出ファイル名 prog03a.cの作成
   • 乱数の生成
     1. このプログラムでは乱数を使用するが、毎回違う乱数系列を作るために、 次のようにsrand関数を呼び出して乱数の初期値として time関数を用いて得た現在時刻を与える （乱数の初期値を与えることを「乱数の種を作る」とも言う。 これはrand関数で乱数を作る前に一回だけ行えばよい）。

     srand((unsigned int)time(NULL));
     

     注意：time関数の使用の際にはtime.hを、 またsrand関数とrand関数を用いる際には stdlib.hをインクルードする必要がある。

     2. rand関数は0からマクロRAND_MAXまでの範囲の 整数値の乱数（正確には疑似乱数である。問題文の下の注記を参照のこと）を返すので、 以下のようにすれば0から5までの整数値の乱数を生成できる。 これをN回繰り返して、DiceRollData型構造体の変数 （変数名は任意）のメンバである配列data[N]に格納する。

     rand() % 6;
     

     3. 乱数を格納したDiceRollData型構造体の変数のメンバである 配列count[6]をすべて0で初期化する。
   • ポインタ渡しの関数による構造体の操作
     1. DiceRollData型構造体の変数に格納された乱数の各出目の出現頻度を調べ、 メンバの配列count[6]に格納する関数ComputeStatisticsPtrを作成せよ。 関数のプロトタイプは以下のようなものであるとする：

     void ComputeStatisticsPtr(DiceRollData*);
     

     2. 関数ComputeStatisticsPtrを呼び出して、出目の出現頻度を調べ、その結果を main関数内で表示せよ。

     実行例（乱数によるプログラムなので、表示される数値は毎回異なる）：

     % ./a.out
     [0]: 100468
     [1]: 99540
     [2]: 100101
     [3]: 100352
     [4]: 99671
     [5]: 99868
     

     実行して得られる出目の出現頻度の偏りは、試行回数Nが少なければ大きくなり、多くすれば小さくなる。ただし、自動変数として宣言可能な配列変数、構造体変数のサイズには上限（環境によって異なる）があるので、Nを極端に大きくするとコンパイルに失敗したり、実行時にエラーが発生することがある。第6回で学んだ動的メモリ割り当てを使うと、この制限を超えることができる。

2. 値渡しの関数による構造体の操作（提出ファイル名 prog03b.c）
   • prog03a.cをprog03b.cにコピーして、以降はprog03b.cを編集すること。
   • 構造体を関数の戻り値として扱うこともできる。構造体変数の計算結果を戻すことで、 関数の呼び出し元にその構造体を値渡しで戻すことができる。
     これを利用し、ComputeStatisticsPtr関数を元に次のような関数を作成し、 こちらを用いても同様に動作することを確認せよ（ComputeStatisticsPtr関数は消さずにプログラム中に残しておくこと）。

   DiceRollData ComputeStatisticsV(DiceRollData);
   

   実行例は省略

3. 値渡しの関数による構造体の操作と実行時間の計測（提出ファイル名 prog03c.c）
   • prog03b.cをprog03c.cにコピーして、以降はprog03c.cを編集すること。
   • 最後に、ポインタ渡しの関数ComputeStatisticsPtrと値渡しの関数ComputeStatisticsVそれぞれの実行時間を比較する。ハンドアウトp124、Lec08-20のlec08-7.cを参考に、それぞれの実行時間を計測して結果を出力できるようにせよ。このとき、一度生成した乱数を両方の関数で処理してもよいし、それぞれの関数用に別の乱数セットを生成してもよい。DiceRollData型構造体の変数そのものも再利用しても構わないが、その場合は出目の回数情報を再初期化することを忘れないこと。

   実行例（乱数によるプログラムなので、表示される数値は毎回異なる）：

   % ./a.out
   ComputeStatisticsPtr (Call by address):
   [0]: 99767
   [1]: 100326
   [2]: 100063
   [3]: 99916
   [4]: 99858
   [5]: 100070
   
   ComputeStatisticsV (Call by value):
   [0]: 99942
   [1]: 99509
   [2]: 100567
   [3]: 100309
   [4]: 100010
   [5]: 99663
   
   --- time ---
   Call by address: 0.001270 sec
   Call by value:   0.003314 sec
   

コンパイラには、実行ファイルを最適化して処理速度を向上させる最適化オプション-O2などが 存在するが、今回のように処理速度の差を比較する場合は最適化オプションは付けずにプログラムをコンパイルすること。

参考: 疑似乱数は、一見乱数のように見えるが確定的な計算によって求められている。そのため、作成方法などが わかっていれば、同じ結果を再現することも可能であり、次にどんな値が出現するかも予測可能な場合がある。
ここで用いているC言語標準のrand関数、srand関数を用いた疑似乱数生成法では、 srand関数に与える種の値が同じであれば、同じ値が生成されることになる。これは一見デメリットの ようにも見えるが、計算機シミュレーションなどにおいては同じ結果を再現できるというメリットにもなる。
rand関数、srand関数を用いる方法は簡便ではあるが、得られる乱数の質はあまり良くな い（ここでいう品質とは、出現する値にある種の規則性が生じるなどの問題を指す）。 実用的には他の方法で乱数を発生させることがよく行われるので、興味がある人は「メルセンヌ・ツイスタ」などの キーワードをもとに調べてみるとよい。