C++速習編

１．Hello World

プログラミングを勉強する時に最初に学ぶ「Hello World」のプログラムを、C言語とC++言語で書き、その違いを説明します。

２．四則演算プログラム

整数を２つ入力して、その加減乗除の結果を表示するプログラムを作成します。小数点以下の桁数を指定して表示する方法が、C言語の時と違います。

また、整数同士の割り算の結果を小数点以下まで求めるのに、double型でキャストしますが、このキャストの書き方が、C++言語の場合、C言語のキャストよりも安全な書き方があるので、それを使います。 

３．４つのキャスト

C++言語では、C言語形式のキャストを使うことができますが、何でも出来てしまうこのC言語形式のキャストは推奨されていません。

C++言語では、static_cast(静的キャスト)、reinterpret_cast(再解釈キャスト)、const_cast(const無効化キャスト)、dynamic_cast(動的キャスト)の４つのキャストを使い分けることが推奨されており、この使い分けについて説明します。

４．参照(リファレンス)

C++言語には、C言語には無かった参照型があります。

関数の引数に使うと便利で、呼び出し元の変数を参照/更新することができます。C言語の場合は、ポインタを使うしかありませんでした。ポインタを使ったプログラムと、参照を使ったプログラムを比較しながら説明します。

５．コンテナ(イテレータ、範囲for文)

C++言語には、STL(Standard Template Library)という標準ライブラリがあり、様々なデータ構造を扱うことのできるコンテナが用意されています。

C言語の配列を使ったプログラムと、コンテナを使ったプログラムを比較しながら説明します。

６．クラス(カプセル化、継承、多態性)

C++言語は、もともとC言語をベースにオブジェクト指向プログラミングができる機能を追加した言語として進化していったものです。オブジェクト指向は、もの(オブジェクト)に注目してプログラムを作成していく考え方で、オブジェクトを定義するものとしてクラスがあります。

クラスを宣言し、クラスの実態であるインスタンスが生成、破棄される流れをプログラムを作成して、動かしながら説明します。

７．ジャンケンゲームを作る(復習)

動画投稿を、暫くお休みしていました。復習を兼ねて、Ｃ言語の時にも作ったジャンケンゲームをＣ＋＋言語で作ります。

ChatGPTにプログラムを作成してもらって、これを説明します。

８．文字列

Ｃ言語の文字列は、char型配列の中に文字を入れて、最後に塗る文字をセットすることで文字列にしていました。Ｃ＋＋言語も、コンピュータの中では、Ｃ言語の同じ動きですが、std::stringという標準クラスが用意されていて、配列やポインタを意識しなくとも、直感的なプログラミングが出来るようになっています。

今回も、ChatGPTにサンプルプログラムを書いてもらって説明します。

９．関数定義の新しい機能

Ｃ++言語は、Ｃ言語をより便利に使えるように機能追加が行われています。今回は、関数定義に関して追加された機能を紹介します。以下の４つが、よく使われる新しい機能です。

• デフォルト引数

• 関数オーバーロード

• 関数テンプレート

• ラムダ式

今回も、ChatGPTにサンプルプログラムを書いてもらって説明します。

10．名前空間

名前空間は、Ｃ言語にはないＣ++言語で新たに追加された機能のです。名前空間が異なれば、同じ名前の変数や関数を作る事ができ、大規模なプログラムや共用ライブラリを作る時に、名前を重複を気にせずに、名前を作ることができるようになります。 

今回も、ChatGPTにサンプルプログラムを書いてもらって説明します。

11．演算子のオーバーロード

演算子のオーバーロードも、Ｃ言語にはないＣ++言語で新たに追加された機能のです。関数オーバーロードと同じ仕組みでoperatorというキーワードを使ってメソッド(関数)を定義することで、演算子を書くと、その演算子に対応したメソッド(関数)が呼び出されます。 

今回も、ChatGPTにサンプルプログラムを書いてもらって説明します。

12．例外処理

C++言語では、try/catch/throwの３つのキーワードを使った、メソッド(関数)に跨がった分岐を行うことができます。

エラーを補足し、エラー情報をthrow(投げる)し、chathを書いた所で、その情報を受け取り、エラーに対処するプログラムを書く、といった使い方をします。

ChatGPTに、例外処理のサンプルプログラムを作成してもらい、それを詳細に説明していきます。 

今回も、ChatGPTにサンプルプログラムを書いてもらって説明します。

13．型推論

C++言語では、autoやdecltypeというキーワードを使って、コンパイラにデータ型を推定してもらう事ができます。

autoは、範囲for文やラムダ式と組み合わせて、よく使われます。

decltypeも、テンプレートと組み合わせて使う事で、高度なプログラミングをすることができます。

14．右辺値参照

C++11では、ムーブセマンティクスという概念が取り入れられ、オブジェクトの所有権を効率的に移動させる事で、より高速なプログラムの作成が可能となりました。

ムーブセマンティクスを実現するため、C++11では、右辺値参照の機能が追加されました。最初に、右辺値と左辺値の違いを説明した後、右辺値参照型の宣言方法を説明します。

この右辺値参照型の宣言は、参照型やポインタ型の宣言と比較しながら説明していきます。

(その１) コンストラクタとデストラクタ

リソースを所持する関係を持つSampleクラスを作成します。リソースはコンストラクタでnewし、デストラクタでdeleteするようにします。また、メモリーリークを確認できるようなプログラムにします。

(その２)コピーコンストラクタ

コピーコンストラクタを作成します。コピーコンストラクタの引数はconstの付いた参照型です。

(その３) ムーブコンストラクタ

ムーブコンストラクタを作成します。ムーブコンストラクタの引数は右辺値参照型です。

(その４)ムーブとコピー(演算子のオーバーロード)

コピーとムーブの違いを説明します。また、代入演算子のオーバーロードを作成します。代入演算にはコピー代入とムーブ代入があります。

(その５) ムーブセマンティクスの活用例

Sampleクラスのオブジェクトが要素のvector配列を作成します。この回では、push_backで要素を追加していった時の、メモリーイメージを説明しています。また、push_backをemplace_backに変えた場合の動き違いについても説明します。最後に範囲for文でオブジェクトの中身を見るプログラムを書いた時、書き方によって無駄なコピーコンストラクタが発生してしまうことを説明します。

(その６)コンストラクタ達の動きを試す実験

前の回で説明したvector配列に要素を追加するプログラムを、実際に作成して動かします。コピーコンストラクタやムーブコンストラクタが定義されていないと、どのような動きになるかを実験します。