先生と生徒の会話形式で理解しよう

生徒

「C言語で数字や計算を書くときに、コンパイル時に決まるとか、定数式とか聞いたことがあります。でも仕組みがよく分かりません。」

先生

「C言語では、プログラムを実行する前の段階で計算できる値があります。それが定数式で、コンパイル時評価と深く関係しています。」

生徒

「実行する前に計算されるなら、速くなったり便利になるということですか？」

先生

「その通りです。では、定数式とコンパイル時評価がどう役に立つのか、一緒に見ていきましょう。」

１．定数式とは？

C言語の定数式とは、プログラムを実行する前、コンパイル段階で計算できる式のことです。たとえば、1 + 2や10 * 5など、計算結果が必ず同じになる式です。コンピュータが動かなくても、紙の上で答えが分かるような式と考えると理解しやすくなります。

コンパイルとは、C言語で書いたプログラムをコンピュータが理解できる形に変換する作業のことです。そして定数式がコンパイル時に計算されることで、実行時の負担が減り、処理が速くなります。

２．定数式の具体例

C言語では、配列のサイズやマクロの定義など、定数式が使われる場面がたくさんあります。例えば、配列を作るときに大きさを数字で指定することができます。


#define SIZE 10
int array[SIZE];

ここで指定されているSIZEは計算するまでもなく数字が決まっています。つまりコンパイル時に確定できる値です。

コンパイル時評価とは、コンパイルの段階で計算できる式を評価し、結果を先に決めてしまう仕組みのことです。パソコンがプログラムを実行する前に答えが決まるため、実行中に計算する必要がなくなり、処理が速くなります。

たとえば、次のようなコードがあります。


#define BASE 3
#define HEIGHT 4
#define AREA (BASE * HEIGHT / 2)

このAREAは実行中に計算されるのではなく、コンパイル中に計算されます。つまりプログラムが動き出す前に答えが決まっています。

プログラムを実行しているとき、計算する回数が少ないほど処理は速くなります。もし同じ計算を何度も行うコードがあっても、定数式なら先に答えが決まっているので、計算そのものが不要になります。

例えば、毎回60 * 60 * 24という計算を書くより、定数式で先に決めておけば、コンパイラが直接結果を使います。


#define SECONDS_DAY (60 * 60 * 24)

値が変わることがないので、定数式として扱われます。

定数式は変数を含まない式です。変数は実行中に変わることがあるため、コンパイルの段階では結果が分かりません。


int a = 3;
int b = 4;
int c = a + b; // これは定数式ではない

a + bは実行中に計算されるため、コンパイル時には評価できません。こうした違いが理解できると、C言語の定数とマクロの仕組みがより深く理解できます。

配列のサイズ、マクロの置き換え、条件による切り替えなど、定数式が活躍する場面は多くあります。特に組み込み開発や高速処理が必要な場面では、コンパイル時に計算することで速度を改善できます。

プログラムは、読みやすく変更に強いほど扱いやすくなります。計算結果を毎回書かずに定数式として表現することで、修正が簡単になり、書き間違いも減ります。

はじめのうちは意識しにくいポイントですが、プログラムを多く書くと、定数式を使ったほうが読みやすく、管理しやすいことが分かってきます。コンパイル時に決まるという特徴は、C言語ならではの強みです。

定数式とコンパイル時評価は、C言語の基礎でありながらとても重要な考え方です。数字をそのまま書くのではなく、定数式として扱うだけで、プログラムの質が大きく変わります。