[C言語] 演算子についてわかりやすく解説

C言語には、さまざまな演算子が用意されており、これらはプログラムの中で計算やデータの操作を行うために使用されます。

主な演算子には、算術演算子（+, -, *, /, %）、比較演算子（==, !=, <, >, <=, >=）、論理演算子（&&, ||, !）があります。

また、ビット演算子や代入演算子、インクリメント・デクリメント演算子なども存在します。

これらの演算子を理解し、適切に使用することで、効率的なプログラムを作成することが可能です。

演算子の基本

演算子とは何か

演算子は、プログラミングにおいてデータを操作するための記号やキーワードです。

C言語では、演算子を用いて変数や定数に対して計算や比較、論理操作を行います。

演算子は、プログラムの中で数値を計算したり、条件を評価したりする際に非常に重要な役割を果たします。

演算子の種類

C言語には多くの演算子が存在し、それぞれ異なる機能を持っています。

以下に主な演算子の種類を示します。

演算子の優先順位と結合性

演算子には優先順位があり、複数の演算子が含まれる式では、優先順位に従って計算が行われます。

優先順位が高い演算子は、低い演算子よりも先に評価されます。

また、同じ優先順位の演算子が複数ある場合、結合性に従って評価の順序が決まります。

以下に、演算子の優先順位と結合性の一部を示します。

演算子の優先順位と結合性を理解することで、複雑な式を正しく評価することができます。

例えば、a + b * cという式では、*の方が+よりも優先順位が高いため、b * cが先に計算されます。

算術演算子

算術演算子は、数値の計算を行うための基本的な演算子です。

C言語では、加算、減算、乗算、除算、剰余の5つの算術演算子が用意されています。

これらの演算子を使うことで、数値の計算を簡単に行うことができます。

加算と減算

加算演算子+と減算演算子-は、数値の足し算と引き算を行います。

これらの演算子は、整数や浮動小数点数に対して使用できます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 10;
    int b = 5;
    int sum = a + b; // 加算
    int diff = a - b; // 減算
    printf("加算: %d\n", sum);
    printf("減算: %d\n", diff);
    return 0;
}

加算: 15
減算: 5

この例では、変数aとbの加算と減算を行い、その結果を表示しています。

乗算と除算

乗算演算子*と除算演算子/は、数値の掛け算と割り算を行います。

整数同士の除算では、結果は整数になります(小数点以下は切り捨てられます)。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 10;
    int b = 3;
    int product = a * b; // 乗算
    int quotient = a / b; // 除算
    printf("乗算: %d\n", product);
    printf("除算: %d\n", quotient);
    return 0;
}

乗算: 30
除算: 3

この例では、変数aとbの乗算と除算を行い、その結果を表示しています。

整数の除算では、結果が整数になることに注意してください。

剰余演算子

剰余演算子%は、整数の除算における余りを求めるために使用されます。

剰余演算子は、整数型のオペランドに対してのみ使用できます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 10;
    int b = 3;
    int remainder = a % b; // 剰余
    printf("剰余: %d\n", remainder);
    return 0;
}

剰余: 1

この例では、変数aをbで割った余りを求め、その結果を表示しています。

剰余演算子は、特に偶数・奇数の判定や、特定の周期での処理に役立ちます。

関係演算子

関係演算子は、2つの値を比較し、その結果を真(1)または偽(0)で返す演算子です。

C言語では、等価、不等価、大小比較のための演算子が用意されています。

これらの演算子は、条件分岐やループの制御において重要な役割を果たします。

等価演算子

等価演算子==は、2つの値が等しいかどうかを比較します。

等しい場合は真(1)、等しくない場合は偽(0)を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    int b = 5;
    int result = (a == b); // 等価演算子
    printf("等価: %d\n", result);
    return 0;
}

等価: 1

この例では、変数aとbが等しいかどうかを比較し、その結果を表示しています。

aとbが等しいため、結果は真(1)となります。

不等価演算子

不等価演算子!=は、2つの値が等しくないかどうかを比較します。

等しくない場合は真(1)、等しい場合は偽(0)を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    int b = 3;
    int result = (a != b); // 不等価演算子
    printf("不等価: %d\n", result);
    return 0;
}

不等価: 1

この例では、変数aとbが等しくないかどうかを比較し、その結果を表示しています。

aとbが等しくないため、結果は真(1)となります。

大小比較演算子

大小比較演算子は、2つの値の大小関係を比較するために使用されます。

主な演算子には、以下のものがあります。

• 小なり<
• 小なりイコール<=
• 大なり>
• 大なりイコール>=

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    int b = 3;
    int less = (a < b); // 小なり
    int less_equal = (a <= b); // 小なりイコール
    int greater = (a > b); // 大なり
    int greater_equal = (a >= b); // 大なりイコール
    printf("小なり: %d\n", less);
    printf("小なりイコール: %d\n", less_equal);
    printf("大なり: %d\n", greater);
    printf("大なりイコール: %d\n", greater_equal);
    return 0;
}

小なり: 0
小なりイコール: 0
大なり: 1
大なりイコール: 1

この例では、変数aとbの大小関係を比較し、その結果を表示しています。

aはbより大きいため、大なりと大なりイコールの結果が真(1)となります。

論理演算子

論理演算子は、条件式の真偽を組み合わせたり反転させたりするために使用されます。

C言語では、AND、OR、NOTの3つの論理演算子が用意されています。

これらの演算子は、複数の条件を組み合わせて評価する際に非常に便利です。

AND演算子

AND演算子&&は、2つの条件がともに真である場合に真(1)を返します。

どちらか一方でも偽である場合は偽(0)を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    int b = 3;
    int c = 5;
    int result = (a == c) && (b < a); // AND演算子
    printf("AND演算子: %d\n", result);
    return 0;
}

AND演算子: 1

この例では、aがcと等しいかつbがaより小さいという2つの条件をAND演算子で結合しています。

両方の条件が真であるため、結果は真(1)となります。

OR演算子

OR演算子||は、2つの条件のうち少なくとも1つが真である場合に真(1)を返します。

両方の条件が偽である場合のみ偽(0)を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    int b = 3;
    int c = 7;
    int result = (a == c) || (b < a); // OR演算子
    printf("OR演算子: %d\n", result);
    return 0;
}

OR演算子: 1

この例では、aがcと等しいか、またはbがaより小さいという2つの条件をOR演算子で結合しています。

b < aが真であるため、結果は真(1)となります。

NOT演算子

NOT演算子!は、単一の条件の真偽を反転させます。

条件が真である場合は偽(0)を返し、条件が偽である場合は真(1)を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    int b = 3;
    int result = !(a < b); // NOT演算子
    printf("NOT演算子: %d\n", result);
    return 0;
}

NOT演算子: 1

この例では、aがbより小さいという条件をNOT演算子で反転しています。

a < bは偽であるため、NOT演算子によって結果は真(1)となります。

ビット演算子

ビット演算子は、整数のビット単位での操作を行うための演算子です。

C言語では、ビットAND、ビットOR、ビットXOR、ビットシフトの4つのビット演算子が用意されています。

これらの演算子は、低レベルのデータ操作や効率的な計算に役立ちます。

ビットAND

ビットAND演算子&は、2つの整数の対応するビットがともに1である場合に1を返し、それ以外の場合は0を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 6;  // 110 in binary
    int b = 3;  // 011 in binary
    int result = a & b; // ビットAND
    printf("ビットAND: %d\n", result);
    return 0;
}

ビットAND: 2

この例では、aとbのビットANDを計算しています。

aのビット表現は110、bのビット表現は011であり、ビットANDの結果は010(2進数)となります。

ビットOR

ビットOR演算子|は、2つの整数の対応するビットのうち、少なくとも1つが1である場合に1を返し、両方が0の場合に0を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 6;  // 110 in binary
    int b = 3;  // 011 in binary
    int result = a | b; // ビットOR
    printf("ビットOR: %d\n", result);
    return 0;
}

ビットOR: 7

この例では、aとbのビットORを計算しています。

aのビット表現は110、bのビット表現は011であり、ビットORの結果は111(2進数)となります。

ビットXOR

ビットXOR演算子^は、2つの整数の対応するビットが異なる場合に1を返し、同じ場合に0を返します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 6;  // 110 in binary
    int b = 3;  // 011 in binary
    int result = a ^ b; // ビットXOR
    printf("ビットXOR: %d\n", result);
    return 0;
}

ビットXOR: 5

この例では、aとbのビットXORを計算しています。

aのビット表現は110、bのビット表現は011であり、ビットXORの結果は101(2進数)となります。

ビットシフト演算子

ビットシフト演算子は、整数のビットを左または右にシフトするために使用されます。

左シフト演算子<<はビットを左にシフトし、右シフト演算子>>はビットを右にシフトします。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 6;  // 110 in binary
    int leftShift = a << 1; // 左シフト
    int rightShift = a >> 1; // 右シフト
    printf("左シフト: %d\n", leftShift);
    printf("右シフト: %d\n", rightShift);
    return 0;
}

左シフト: 12
右シフト: 3

この例では、aのビットを1ビット左にシフトした結果と、1ビット右にシフトした結果を表示しています。

左シフトにより110が1100(12進数)になり、右シフトにより110が11(3進数)になります。

ビットシフトは、特に効率的な乗算や除算に利用されます。

代入演算子

代入演算子は、変数に値を設定するために使用されます。

C言語では、基本の代入演算子と複合代入演算子が用意されています。

これらの演算子を使うことで、変数に効率的に値を代入することができます。

基本の代入演算子

基本の代入演算子=は、右辺の値を左辺の変数に代入します。

これは最も基本的な代入方法であり、変数に初期値を設定したり、計算結果を保存したりする際に使用されます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a;
    a = 10; // 基本の代入演算子
    printf("代入された値: %d\n", a);
    return 0;
}

代入された値: 10

この例では、変数aに値10を代入し、その結果を表示しています。

基本の代入演算子は、変数に値を設定するための最も直接的な方法です。

複合代入演算子

複合代入演算子は、算術演算と代入を同時に行うための演算子です。

これにより、コードを簡潔に記述することができます。

主な複合代入演算子には以下のものがあります。

• +=(加算して代入)
• -=(減算して代入)
• *=(乗算して代入)
• /=(除算して代入)
• %=(剰余を計算して代入)

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 10;
    a += 5; // 加算して代入
    printf("加算して代入: %d\n", a);
    a -= 3; // 減算して代入
    printf("減算して代入: %d\n", a);
    a *= 2; // 乗算して代入
    printf("乗算して代入: %d\n", a);
    a /= 4; // 除算して代入
    printf("除算して代入: %d\n", a);
    a %= 3; // 剰余を計算して代入
    printf("剰余を計算して代入: %d\n", a);
    return 0;
}

加算して代入: 15
減算して代入: 12
乗算して代入: 24
除算して代入: 6
剰余を計算して代入: 0

この例では、変数aに対して複合代入演算子を使用し、さまざまな算術演算を行った結果を表示しています。

複合代入演算子を使うことで、コードをより簡潔にし、可読性を向上させることができます。

その他の演算子

C言語には、算術演算子や論理演算子以外にも、さまざまな便利な演算子が用意されています。

ここでは、インクリメントとデクリメント、条件演算子(または三項演算子)、カスト演算子について説明します。

インクリメントとデクリメント

インクリメント演算子++とデクリメント演算子--は、変数の値を1ずつ増減させるために使用されます。

これらの演算子は、変数の前または後に置くことができ、前置と後置で動作が異なります。

• 前置++a、--a：変数の値を変更した後に使用します。
• 後置a++、a--：変数の値を使用した後に変更します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    printf("元の値: %d\n", a);
    printf("前置インクリメント: %d\n", ++a);
    printf("後置インクリメント: %d\n", a++);
    printf("前置デクリメント: %d\n", --a);
    printf("後置デクリメント: %d\n", a--);
    printf("最終的な値: %d\n", a);
    return 0;
}

元の値: 5
前置インクリメント: 6
後置インクリメント: 6
前置デクリメント: 6
後置デクリメント: 6
最終的な値: 5

この例では、インクリメントとデクリメントの前置と後置の違いを示しています。

前置は変数の値を即座に変更し、後置はその後に変更します。

条件演算子(三項演算子)

条件演算子?:は、3つのオペランドを持つ唯一の演算子で、条件に基づいて異なる値を返します。

構文は条件式 ? 真の場合の値 : 偽の場合の値です。

#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 5;
    int b = 10;
    int max = (a > b) ? a : b; // 条件演算子
    printf("大きい方の値: %d\n", max);
    return 0;
}

大きい方の値: 10

この例では、aとbのうち大きい方の値を条件演算子を使って選択し、その結果を表示しています。

条件演算子は、簡潔に条件分岐を記述するのに便利です。

カスト演算子

カスト演算子は、データ型を明示的に変換するために使用されます。

構文は(型名) 式です。

これにより、異なるデータ型間での変換を行うことができます。

#include <stdio.h>
int main() {
    double a = 5.7;
    int b = (int)a; // カスト演算子
    printf("元の値: %f\n", a);
    printf("整数に変換された値: %d\n", b);
    return 0;
}

元の値: 5.700000
整数に変換された値: 5

この例では、double型の変数aをint型にキャストし、その結果を表示しています。

カスト演算子を使うことで、データ型を明示的に変換し、必要に応じて異なる型のデータを操作することができます。

演算子の応用例

演算子は、C言語プログラムのさまざまな場面で活用されます。

ここでは、演算子を用いた条件分岐、ループ処理、ビット操作の応用例を紹介します。

演算子を用いた条件分岐

条件分岐では、関係演算子や論理演算子を使用して、プログラムの実行経路を制御します。

if文やswitch文でこれらの演算子を活用することで、複雑な条件を評価できます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int score = 85;
    
    if (score >= 90) {
        printf("評価: 優\n");
    } else if (score >= 70) {
        printf("評価: 良\n");
    } else if (score >= 50) {
        printf("評価: 可\n");
    } else {
        printf("評価: 不可\n");
    }
    return 0;
}

評価: 良

この例では、scoreの値に基づいて評価を行い、条件分岐を用いて適切なメッセージを表示しています。

関係演算子を使って、スコアの範囲を評価しています。

演算子を用いたループ処理

ループ処理では、インクリメントやデクリメント演算子を使用して、ループカウンタを制御します。

for文やwhile文でこれらの演算子を活用することで、繰り返し処理を効率的に行えます。

#include <stdio.h>
int main() {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("カウント: %d\n", i);
    }
    return 0;
}

カウント: 0
カウント: 1
カウント: 2
カウント: 3
カウント: 4

この例では、for文を使って0から4までのカウントを表示しています。

インクリメント演算子++を用いて、ループカウンタiを制御しています。

演算子を用いたビット操作

ビット操作では、ビット演算子を使用して、データのビット単位での操作を行います。

これにより、効率的なデータ処理やフラグ管理が可能になります。

#include <stdio.h>
int main() {
    unsigned char flags = 0b00001111; // 初期フラグ
    unsigned char mask = 0b00000101;  // マスク
    // ビットANDでフラグをクリア
    flags &= ~mask;
    printf("フラグクリア後: 0b%08b\n", flags);
    // ビットORでフラグをセット
    flags |= mask;
    printf("フラグセット後: 0b%08b\n", flags);
    return 0;
}

フラグクリア後: 0b00001010
フラグセット後: 0b00001111

この例では、ビットANDとビットORを用いて、フラグの特定のビットをクリアしたりセットしたりしています。

ビット操作は、特にハードウェア制御やプロトコル処理で重要な技術です。

よくある質問

まとめ

演算子はC言語において、データの操作や条件の評価に欠かせない重要な要素です。

この記事では、基本的な演算子から応用例までを詳しく解説しました。

演算子の使い方を理解することで、より効率的で効果的なプログラムを作成することができます。

この記事を参考に、実際のプログラムで演算子を活用してみてください。