第1章：C言語標準規格の読み方

この章で学ぶこと

• C言語標準規格の歴史的進化
• ISO/IEC 9899の構造と読み方
• 規範的要求と参考情報の違い
• shall, should, may の厳密な意味
• 規格文書の入手と活用法

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1.1 C言語標準規格の歴史

K&R時代（〜1989年）

C言語は1972年にデニス・リッチーによってベル研究所で開発されました。初期のCには公式な規格がなく、1978年に出版された「The C Programming Language」（通称K&R本）が事実上の標準でした。

K&R Cの特徴：

• 関数プロトタイプなし
• int の暗黙宣言
• 可変長引数のサポートなし
• 厳密な型チェックの欠如

/* K&R スタイル */
main()
{
    printf("Hello\n");  /* 宣言なしでも使用可能 */
}

double avg(a, b)
double a, b;  /* パラメータの型は後から宣言 */
{
    return (a + b) / 2;
}

ANSI C / C89（1989年）

アメリカ規格協会（ANSI）がC言語を標準化し、ANSI X3.159-1989として公開されました。翌年、国際標準化機構（ISO）がISO/IEC 9899:1990として採用しました（内容はほぼ同一）。

C89の主な追加：

• 関数プロトタイプ
• void 型
• const と volatile 修飾子
• プリプロセッサの標準化
• 標準ライブラリの規定

/* ANSI C スタイル */
#include <stdio.h>

double avg(double a, double b);  /* プロトタイプ */

int main(void)
{
    printf("%.2f\n", avg(3.0, 5.0));
    return 0;
}

double avg(double a, double b)
{
    return (a + b) / 2;
}

C99（1999年）

ISO/IEC 9899:1999は、C言語に大幅な機能追加を行いました。

C99の主な追加：

• // コメント
• 混合宣言と文
• 可変長配列（VLA）
• inline 関数
• _Bool 型
• long long int 型
• restrict 修飾子
• 指示初期化子
• 複合リテラル
• , ,

/* C99 スタイル */
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>

int main(void)
{
    // C++スタイルのコメント
    bool flag = true;
    int32_t fixed = 42;

    for (int i = 0; i < 10; i++) {  // 混合宣言
        int n = 5;
        int arr[n];  // VLA
        arr[0] = i;
    }

    struct point { int x, y; };
    struct point p = { .y = 10, .x = 20 };  // 指示初期化子

    return 0;
}

C11（2011年）

ISO/IEC 9899:2011は、並行処理とセキュリティに焦点を当てました。

C11の主な追加：

• _Atomic 型修飾子と
• _Thread_local ストレージクラス
• _Generic 選択
• 無名構造体・共用体
• static_assert
• Bounds checking interfaces（Annex K）
• アラインメント指定（_Alignas, _Alignof）
• （オプション）

/* C11 スタイル */
#include <stdatomic.h>
#include <stdalign.h>

_Static_assert(sizeof(int) >= 4, "int must be at least 4 bytes");

_Atomic int counter = 0;

struct data {
    alignas(16) double values[4];
    struct {  // 無名構造体
        int x, y;
    };
};

#define print_type(x) _Generic((x), \
    int: "int", \
    double: "double", \
    default: "unknown")

C17/C18（2018年）

ISO/IEC 9899:2018は、C11の欠陥報告を修正した保守版です。新機能は追加されていませんが、多くの曖昧さが解消されました。

C23（2024年）

最新の規格であるISO/IEC 9899:2024は、多くの新機能を追加しました。

C23の主な追加：

• typeof と typeof_unqual
• constexpr オブジェクト
• #embed ディレクティブ
• _BitInt(N) 型
• nullptr と nullptr_t
• true と false がキーワードに
• auto 型推論
• ラベル前の宣言許可
• [[]] 属性構文

/* C23 スタイル */
#include <stddef.h>

constexpr int SIZE = 100;
auto ptr = nullptr;  // auto型推論

typeof(1 + 2.0) x;  // double

_BitInt(128) big_int;

[[maybe_unused]] int unused_var;
[[nodiscard]] int important_function(void);

static const unsigned char icon[] = {
    #embed "icon.png"
};

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1.2 規格文書の構造

ISO/IEC 9899の章構成

C言語規格は以下の章から構成されています：

| 章 | タイトル | 内容 | |----|----------|------| | 1 | Scope | 規格の適用範囲 | | 2 | Normative references | 引用規格 | | 3 | Terms, definitions, and symbols | 用語定義 | | 4 | Conformance | 適合性要件 | | 5 | Environment | 実行環境 | | 6 | Language | 言語仕様（核心部分） | | 7 | Library | 標準ライブラリ |

Annexes（付属書）

• Annex A: Language syntax summary（参考）
• Annex B: Library summary（参考）
• Annex C: Sequence points（参考）
• Annex D: Universal character names（規範）
• Annex E: Implementation limits（参考）
• Annex F: IEC 60559 floating point（規範、条件付き）
• Annex G: IEC 60559 complex（規範、条件付き）
• Annex H: Language independent arithmetic（参考）
• Annex I: Common warnings（参考）
• Annex J: Portability issues（参考）
• Annex K: Bounds-checking interfaces（規範、オプション）
• Annex L: Analyzability（規範、条件付き）

規範的（Normative）と参考（Informative）

規範的（Normative）：適合実装が遵守すべき要件。本文と規範的付属書が該当します。

参考（Informative）：理解を助けるための補足情報。違反しても適合性には影響しません。

規格文書中の注釈:
NOTE — これは参考情報です
EXAMPLE — これも参考情報です

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1.3 shall, should, may の意味

shall（〜しなければならない）

shall は絶対的要件を示します。適合実装はこれに従う必要があります。

> The value of an object shall not be accessed by an expression of a type other than the following...

「〜してはならない」は shall not で表現されます。

should（〜すべきである）

should は推奨を示します。従うことが強く推奨されますが、絶対ではありません。

> Implementations should diagnose...

may（〜してもよい）

may は許可を示します。実装はそうしてもしなくてもよいです。

> An implementation may define macros...

制約（Constraints）と意味規則（Semantics）

Constraints セクションの shall 違反は、コンパイル時診断が必要です。

Semantics セクションの shall 違反は、未定義動作になります。

/* Constraints 違反の例 */
int arr[5];
arr = arr;  /* 診断が必要：配列は代入不可 */

/* Semantics 違反の例 */
int *p = NULL;
*p = 42;  /* 未定義動作：NULLの参照外し */

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1.4 動作の分類

未定義動作（Undefined Behavior）

規格が何の要件も課さない動作。何が起きても構いません。

> undefined behavior: behavior, upon use of a nonportable or erroneous program construct or of erroneous data, for which this document imposes no requirements

典型例：

• NULLポインタの参照外し
• 配列境界外アクセス
• 符号付き整数オーバーフロー
• 初期化されていない変数の使用

int arr[5];
int x = arr[10];  /* 未定義動作 */

未規定動作（Unspecified Behavior）

規格が複数の選択肢を許容し、どれが選ばれるか規定しない動作。

> unspecified behavior: behavior, that results from the use of an unspecified value, or other behavior upon which this document provides two or more possibilities and imposes no further requirements

典型例：

• 関数引数の評価順序
• sizeof が返す値の型（ただし size_t）

int f(void) { printf("f\n"); return 1; }
int g(void) { printf("g\n"); return 2; }

int x = f() + g();  /* f()とg()の評価順序は未規定 */

処理系定義動作（Implementation-Defined Behavior）

未規定動作の中で、実装が選択肢を文書化する義務があるもの。

> implementation-defined behavior: unspecified behavior where each implementation documents how the choice is made

典型例：

• char が符号付きか符号なしか
• int のビット数
• 右シフトが論理か算術か（負の値の場合）

char c = 128;  /* charが符号付きなら負の値になる可能性 */
int x = -1 >> 1;  /* 結果は処理系定義 */

ロケール固有動作（Locale-Specific Behavior）

現在のロケールに依存する動作。

> locale-specific behavior: behavior that depends on local conventions of nationality, culture, and language

典型例：

• isalpha() の判定
• strcoll() の照合順序

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1.5 適合実装の要件

ホスト環境と独立環境

ホスト環境（Hosted）：OS上で動作し、完全な標準ライブラリを提供。

独立環境（Freestanding）：OS不要。最小限のヘッダのみ保証。

独立環境で保証されるヘッダ：

適合プログラム

厳密適合プログラム：

• 規格で指定された機能のみ使用
• 未規定、未定義、処理系定義動作に依存しない
• 処理系のリソース制限を超えない

適合プログラム：

• 適合実装で受け入れられる
• 処理系定義動作への依存は許可

診断メッセージ

適合実装は、構文規則または制約の違反に対して、少なくとも1つの診断メッセージを出力しなければなりません。

int main(void)
{
    int x = "hello";  /* 制約違反：診断必須 */
    return 0;
}

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1.6 規格文書の入手方法

公式規格

ISO/IEC 9899は有料（数百スイスフラン）ですが、以下の方法で内容を確認できます。

最終ドラフト

標準化直前のドラフトは無料で公開されています：

• C11: N1570 (https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/docs/n1570.pdf)
• C17: N2176 (最終ドラフトは非公開だがN2176が近い)
• C23: N3096 (https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/www/docs/n3096.pdf)

最終ドラフトと公式規格の差異は通常、編集上の修正のみです。

欠陥報告（Defect Reports）

規格の解釈や欠陥に関する公式回答は、WG14のウェブサイトで公開されています。

https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/

有用なリソース

• cppreference.com: 規格の内容を分かりやすく解説
• GCC Manual: GCCの実装詳細と拡張
• Clang Documentation: Clangの実装詳細

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1.7 規格を読むためのヒント

相互参照の活用

規格は内部で多くの相互参照を含んでいます。

> As specified in 6.2.4, an object has a storage duration...

章番号をたどって定義を確認しましょう。

用語の厳密な理解

日常的な意味と技術的な定義が異なることがあります。

• オブジェクト: メモリ領域（OOPのオブジェクトではない）
• 左辺値: オブジェクトを指定する式
• 型: オブジェクトの性質と許容される操作の集合

例外に注意

「except」や「unless」を見逃さないようにしましょう。

> An identifier declared in different scopes... may refer to the same object... if one of them has external linkage and the other has no linkage.

Annex J.2の活用

Annex J.2には未定義動作の一覧があり、非常に有用です。

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1.8 この章のまとめ

学んだこと

• 規格の歴史: K&R → C89 → C99 → C11 → C17 → C23
• 文書構造: 本文、付属書、規範/参考
• 用語: shall/should/may の厳密な意味
• 動作分類: 未定義/未規定/処理系定義/ロケール固有
• 適合性: ホスト/独立環境、厳密適合/適合プログラム
• 入手方法: 最終ドラフト、欠陥報告

次の章の予告

次章では、型システムの仕様レベル理解を学びます。整数昇格、通常の算術型変換、互換型など、規格に基づく厳密な定義を解説します。

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Column: なぜ規格を読むのか

「動くコード」と「正しいコード」

コンパイルが通り、テストが成功するコードが「正しい」とは限りません。

int main(void)
{
    int x = INT_MAX;
    x = x + 1;  /* 未定義動作 */
    if (x < 0)
        printf("Overflow detected!\n");
    return 0;
}

このコードは多くの環境で「動く」かもしれませんが、規格上は未定義動作です。コンパイラは最適化により予期しないコードを生成する可能性があります。

コンパイラは敵ではない

未定義動作を利用した最適化は、コンパイラのバグではありません。規格に従った正当な動作です。

規格を読むことで：

• コードが本当に正しいか判断できる
• 移植性の問題を予見できる
• コンパイラの動作を予測できる
• 効率的で正確なコードを書ける

プロフェッショナルの条件

「この挙動は保証されているのか？」という問いに、規格を参照して答えられることがプロフェッショナルの条件です。

経験や直感だけでなく、規範的な根拠に基づいてコードを書きましょう。

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確認問題

問題1

問題2

問題3

問題4

問題5

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次の章では、型システムの仕様レベル理解を学びます。