【C言語】標準ライブラリ活用入門！基本から実践まで徹底解説

この記事では、C言語の標準ライブラリについて、活用の第一歩を踏み出すための基本から、実際の使い方までを分かりやすく解説していきます。

C言語の勉強を始めたばかりだと、覚えることが多くて大変ですよね。特に標準ライブラリって、なんだかよく分からない…なんて人もいるかもしれません。

この記事を読めば、標準ライブラリがどんなもので、どう使えばプログラミングがもっと楽に、もっと楽しくなるのかがバッチリ分かりますよ。

この記事で学べること

• 標準ライブラリって何？ なぜ使うの？
• どうやってプログラムで使うの？（ヘッダーファイルのインクルード）
• 画面表示やキーボード入力の基本 (stdio.h)
• 文字列を扱う便利な機能 (string.h)
• 計算を楽にする数学関数 (math.h)
• 他にもある便利な機能たち (stdlib.h など)
• 使うときに気をつけるポイント

C言語の標準ライブラリとは？プログラミングを効率化する基本

C言語の標準ライブラリは、プログラミングでよく使う便利な機能が、あらかじめセットになっている「道具箱」みたいなものです。

例えば、画面に文字を表示したり、キーボードからの入力を受け取ったり、文字を操作したり、数学の計算をしたり…。こういった基本的な機能を、自分でゼロから作るのは結構大変ですよね。

でも標準ライブラリを使えば、そうした機能を短いコードで、しかも安全に呼び出して使うことができるんです！

これを使うメリットはたくさんあります。

• 開発効率アップ
  自分で作らなくていいので、プログラムを作る時間が短縮できます。
• 信頼性の向上
  多くの開発者に使われ、テストされている機能なので、自分で作るよりバグが少なく、安定した動作が期待できます。
• コードの共通化
  みんなが同じ機能を使うことで、他の人が書いたコードも読みやすくなります。

標準ライブラリは、通常C言語のコンパイラ（プログラムをコンピュータが分かる言葉に翻訳するソフト）と一緒にインストールされるので、特別な準備は不要な場合がほとんどです。

使いたい機能に合わせて、「ヘッダーファイル」というものをプログラムの最初に読み込むだけで、すぐに便利な機能が使えるようになりますよ。

C言語の標準ライブラリの基本的な使い方 - ヘッダーファイルのインクルード

標準ライブラリの機能を使うには、「これからこのライブラリの機能を使いますよ！」とプログラムに教えてあげる必要があります。

そのおまじないが、プログラムの先頭に書く #include という命令です。

例えば、画面への出力やキーボード入力に関する機能を使いたい場合は、stdio.h というヘッダーファイルを読み込みます。書き方は下の通りです。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  // ここにプログラムの処理を書く
  // stdio.h の中の printf 関数などが使えるようになる
  return 0;
}

#include の後ろに、山括弧 < > でヘッダーファイル名 (stdio.h) を囲みます。
この山括弧は、「コンパイラが知っている標準の場所からヘッダーファイルを探してね」という意味になります。

もし、使いたい関数のヘッダーファイルをインクルードし忘れると、「そんな関数は知らないよ！」とコンパイラに怒られて、エラーになってしまいます。

「使いたい機能があったら、対応するヘッダーファイルを#includeする」 これが標準ライブラリを使うための最初のルールです。簡単ですよね！

【入出力】stdio.h - C言語の標準ライブラリ活用の第一歩

さて、ここからは具体的な標準ライブラリを見ていきましょう！

まず最初に紹介するのは stdio.h (Standard Input Output Header の略) です。
名前の通り、標準的な入出力、つまり画面（標準出力）への表示や、キーボード（標準入力）からのデータ受け取りに関する機能がたくさん詰まっています。

C言語を学ぶ上で、ほぼ間違いなく最初にお世話になるライブラリと言えるでしょう。
今回は、その中でも代表的な printf 関数と scanf 関数を紹介します。

printf関数の使い方（サンプルプログラムと実行結果）

printf 関数は、画面に文字や変数の値を表示したいときに使います。
プログラミングの第一歩、「Hello, World!」を表示するのにも使われますね！

基本的な書き方はこんな感じです。

printf("表示したい文字列や書式指定子", 表示したい変数など);

文字列をそのまま表示するだけでなく、%d や %f といった 書式指定子 を使うことで、変数の値を指定した形式で埋め込んで表示できます。

• %d : 整数 (int型)
• %f : 小数 (float型やdouble型)
• %c : 1文字 (char型)
• %s : 文字列 (char型の配列)

また、\n は改行を表す特殊な文字です。表示の最後にこれを入れると、次の表示が新しい行から始まります。

サンプルコード

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int age = 20;
  double pi = 3.14159;
  char initial = 'C';
  char name[] = "言語"; // 文字列は文字の配列

  printf("Hello, World!\n"); // 文字列をそのまま表示して改行
  printf("年齢は %d 歳です。\n", age); // 整数を表示
  printf("円周率は約 %.2f です。\n", pi); // 小数を小数点以下2桁で表示
  printf("イニシャルは %c で、名前は %s です。\n", initial, name); // 文字と文字列を表示

  return 0;
}

実行結果

Hello, World!
年齢は 20 歳です。
円周率は約 3.14 です。
イニシャルは C で、名前は 言語 です。

どうでしょう？書式指定子を使うと、色々なデータを綺麗に表示できますね！

scanf関数の使い方（サンプルプログラムと実行結果）

scanf 関数は、キーボードから入力された値を変数に格納したいときに使います。
ユーザーに年齢や名前などを入力してもらうプログラムで活躍します。

基本的な書き方は printf に似ています。

scanf("書式指定子", &変数名);

printf と同じように書式指定子を使いますが、一つ大きな違いがあります。
それは、変数名の前に & (アドレス演算子) を付ける点です。（文字列を配列に読み込む場合を除く）
これは、「キーボードから入力された値を、この変数が置いてあるメモリの場所に直接書き込んでね」と指示するためです。& の付け忘れは、プログラムが異常終了する原因になるので、十分注意しましょう！

サンプルコード

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int input_age;
  char input_name[50]; // 名前の入力用に十分なサイズの配列を用意

  printf("あなたの年齢を入力してください: ");
  scanf("%d", &input_age); // 整数を入力してもらい、input_age変数に格納

  printf("あなたの名前を入力してください: ");
  scanf("%s", input_name); // 文字列を入力してもらい、input_name配列に格納 (&は付けない)

  printf("こんにちは、%sさん(%d歳)！\n", input_name, input_age);

  return 0;
}

実行例 (キーボードから 25 と Taro を入力した場合)

あなたの年齢を入力してください: 25
あなたの名前を入力してください: Taro
こんにちは、Taroさん(25歳)！

scanf を使うと、ユーザーと対話するプログラムが作れるようになります。
ただし、想定外の入力（数字を入れてほしいのに文字が入力されたなど）があると、プログラムがうまく動かないことがあります。エラー処理については少し難しい話になるので、まずは基本的な使い方をマスターしましょう。

【文字列操作】string.h - C言語の標準ライブラリ活用で文字列処理をマスター

次にご紹介するのは string.h です。

C言語では、文字列は単なる「文字の配列」として扱われます。そのため、文字列のコピーや比較といった操作を自分で行うのは少し面倒です。

そこで活躍するのが string.h ライブラリ！

文字列のコピー、連結（くっつけること）、長さの取得、比較など、文字列を扱う上で欠かせない便利な関数が揃っています。

プログラムでユーザーの名前を扱ったり、ファイル名を処理したり、様々な場面で必要になるライブラリです。

文字列操作関数の使い方（サンプルプログラムと実行結果）

string.h の中でも特によく使われる関数をいくつか見てみましょう。

• strcpy(コピー先, コピー元): 文字列をコピーする
• strcat(連結先, 連結元): 文字列の末尾に別の文字列を連結する
• strlen(文字列): 文字列の長さ（文字数）を返す
• strcmp(文字列1, 文字列2): 2つの文字列を比較する

注意点: strcpy や strcat を使うときは、コピー先や連結先の配列が、結果として出来上がる文字列を格納するのに十分な大きさを持っているかを必ず確認してください。

サイズが足りないと、メモリ領域をはみ出してしまい（バッファオーバーフロー）、プログラムがおかしくなったり、セキュリティ上の問題を引き起こす可能性があります。

サンプルコード

#include <stdio.h>
#include <string.h> // string.h をインクルード

int main(void) {
  char str1[50] = "Hello"; // 十分なサイズを確保
  char str2[] = ", World!";
  char str3[50]; // コピー先も十分なサイズを確保
  int len;
  int cmp_result;

  // strcpy: str1の内容をstr3にコピー
  strcpy(str3, str1);
  printf("strcpy後 str3: %s\n", str3);

  // strcat: str3の末尾にstr2を連結
  strcat(str3, str2);
  printf("strcat後 str3: %s\n", str3);

  // strlen: str3の長さを取得 (ナル文字\0は含まない)
  len = strlen(str3);
  printf("strlen str3の長さ: %d\n", len);

  // strcmp: str1と"Hello"を比較
  cmp_result = strcmp(str1, "Hello");
  if (cmp_result == 0) {
    printf("strcmp: str1は\"Hello\"と等しいです。\n");
  } else {
    printf("strcmp: str1は\"Hello\"と等しくないです。\n");
  }

  // strcmp: str1とstr3を比較
  cmp_result = strcmp(str1, str3);
  if (cmp_result == 0) {
    printf("strcmp: str1はstr3と等しいです。\n");
  } else if (cmp_result < 0) {
    printf("strcmp: str1はstr3より小さいです。\n");
  } else {
    printf("strcmp: str1はstr3より大きいです。\n");
  }

  return 0;
}

実行結果

strcpy後 str3: Hello
strcat後 str3: Hello, World!
strlen str3の長さ: 13
strcmp: str1は"Hello"と等しいです。
strcmp: str1はstr3より小さいです。

strcmp は、文字列1と文字列2が完全に同じなら 0 を返します。そうでなければ、辞書順で文字列1が文字列2より前なら負の数、後なら正の数を返します。
これらの関数を使いこなせば、文字列の扱いがグッと楽になりますね！

【数学関数】math.h - C言語の標準ライブラリ活用で計算も楽々

プログラミングでは、複雑な数学計算が必要になることもあります。
例えば、ゲームでキャラクターの距離を計算したり、科学技術計算で平方根や三角関数を使ったり。

そんな時に頼りになるのが math.h ライブラリです！
平方根 (ルート)、べき乗 (るいじょう、XのY乗など)、三角関数 (sin, cos, tan) といった、様々な数学関数が用意されています。

これらの関数を使えば、難しい計算も簡単にプログラムに組み込めます。

数学関数の使い方（サンプルプログラムと実行結果）

math.h の代表的な関数を見てみましょう。

• sqrt(数値): 数値の正の平方根を返す
• pow(底, 指数): 底の指数乗を返す
• sin(角度), cos(角度), tan(角度): 三角関数（角度はラジアン単位）

これらの関数の多くは、引数（入力する値）や戻り値（計算結果）が double 型（精度の高い小数を扱える型）になっています。計算結果を整数として扱いたい場合は、型変換が必要になることもあります。

サンプルコード

#include <stdio.h>
#include <math.h> // math.h をインクルード

int main(void) {
  double num1 = 9.0;
  double base = 2.0, exponent = 10.0;
  double result_sqrt, result_pow;

  // sqrt: num1 (9.0) の平方根を計算
  result_sqrt = sqrt(num1);
  printf("%.1f の平方根は %.1f です。\n", num1, result_sqrt);

  // pow: base (2.0) の exponent (10.0) 乗を計算
  result_pow = pow(base, exponent);
  printf("%.1f の %.1f 乗は %.1f です。\n", base, exponent, result_pow);

  // 注意: コンパイル時に -lm オプションが必要な場合があります
  // (例: gcc program.c -o program -lm)

  return 0;
}

実行結果

9.0 の平方根は 3.0 です。
2.0 の 10.0 乗は 1024.0 です。

計算が一瞬で終わりましたね！
なお、一部の環境（特にLinuxなど）では、math.h の関数を使ったプログラムをコンパイルする際に、-lm というオプションを付ける必要があります。もしコンパイルエラーが出たら試してみてください。

数学関数を使う際は、引数や戻り値の型（多くは double 型）を確認して、適切に扱うようにしましょう。

【その他】知っておくと便利な標準ライブラリ関数 (stdlib.hなど)

これまで紹介した stdio.h, string.h, math.h 以外にも、標準ライブラリには便利な機能がたくさんあります。

ここでは、stdlib.h (Standard Library) を中心に、知っておくと役立つかもしれない関数をいくつかピックアップして紹介します！

• atoi(文字列) (stdlib.h)
  数字で構成された文字列（例: "123"）を、実際の数値（整数、int型）に変換します。ユーザーが入力した数字の文字列を計算に使いたいときなどに便利です。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h> // stdlib.h をインクルード
  
  int main(void) {
    char str_num[] = "12345";
    int num = atoi(str_num);
    printf("文字列 \"%s\" を整数に変換すると %d です。\n", str_num, num);
    printf("計算もできます: %d * 2 = %d\n", num, num * 2);
    return 0;
  }
  // 実行結果:
  // 文字列 "12345" を整数に変換すると 12345 です。
  // 計算もできます: 12345 * 2 = 24690
    

• rand() と srand() (stdlib.h)
  rand() は、0からある程度大きな値までの範囲で、ランダムな整数（疑似乱数）を生成します。ゲームのサイコロや、くじ引きプログラムなどで使えます。
  ただし、rand() だけだと毎回同じ順番で乱数が出てしまうので、プログラム実行ごとに違う乱数を得たい場合は、最初に srand() を使って乱数の種（シード）を設定します。現在時刻を使うのが一般的です（time.h も必要）。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h> // stdlib.h をインクルード
  #include <time.h>   // time() 関数を使うために必要
  
  int main(void) {
    // 現在時刻を乱数の種に設定 (プログラム実行ごとに違う乱数列になる)
    srand((unsigned int)time(NULL));
  
    printf("サイコロを3回振ります:\n");
    // 1から6までの乱数を生成 (% 6 で 0-5 の範囲にして +1)
    printf("1回目: %d\n", rand() % 6 + 1);
    printf("2回目: %d\n", rand() % 6 + 1);
    printf("3回目: %d\n", rand() % 6 + 1);
    return 0;
  }
  // 実行結果 (例):
  // サイコロを3回振ります:
  // 1回目: 4
  // 2回目: 1
  // 3回目: 6
    

• exit(終了コード) (stdlib.h)
  プログラムの実行を、その場で強制的に終了させます。何か致命的なエラーが発生して、処理を続けられない場合などに使います。引数の終了コードは、プログラムが正常終了したか異常終了したかを示すのに使われ、通常 0 が正常終了、それ以外が異常終了を表します。

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h> // stdlib.h をインクルード
  
  int main(void) {
    int error_flag = 1; // エラーが発生したと仮定
  
    if (error_flag) {
      printf("エラーが発生したため、プログラムを終了します。\n");
      exit(1); // 異常終了 (終了コード 1)
    }
  
    // この部分は error_flag が 0 の場合のみ実行される
    printf("プログラムは正常に処理を続けました。\n");
    return 0; // 正常終了
  }
  // 実行結果:
  // エラーが発生したため、プログラムを終了します。
    

これらはほんの一例です。標準ライブラリにはまだまだたくさんの機能があります。必要に応じて調べてみると、きっとあなたのプログラミングを助けてくれる関数が見つかるはずです！

C言語の標準ライブラリ活用における注意点

標準ライブラリはとても便利ですが、使う上でいくつか気をつけておきたいポイントがあります。
これらを知っておくと、予期せぬエラーを防ぎ、より安全なプログラムを作ることができますよ。

ヘッダーファイルのインクルード忘れ

関数の使い方（引数と戻り値）